什么是“熵”?

   更新日期:2024.05.13



shāng

◎ 物理学上指热能除以温度所得的商,标志热量转化为功的程度。

◎ 科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量(liàng)度,某些物质系统状态可能出现的程度。亦被社会科学用以借喻人类社会某些状态的程度。

◎ 在信息论中,熵表示的是不确定性的量度。

1.只有当你所使用的那个特定系统中的能量密度参差不齐的时候,能量才能够转化为功,这时,能量倾向于从密度较高的地方流向密度较低的地方,直到一切都达到均匀为止。正是依靠能量的这种流动,你才能从能量得到功。

江河发源地的水位比较高,那里的水的势能也比河口的水的势能来得大。由于这个原因,水就沿着江河向下流入海洋。要不是下雨的话,大陆上所有的水就会全部流入海洋,而海平面将稍稍升高。总势能这时保持不变。但分布得比较均匀。

正是在水往下流的时候,可以使水轮转动起来,因而水就能够做功。处在同一个水平面上的水是无法做功的,即使这些水是处在很高的高原上,因而具有异常高的势能,同样做不了功。在这里起决定性作用的是能量密度的差异和朝着均匀化方向的流动。
熵是混乱和无序的度量.熵值越大,混乱无序的程度越大. 我们这个宇宙是熵增的宇宙.热力学第二定律,体现的就是这个特征. 生命是高度的有序,智慧是高度的有序. 在一个熵增的宇宙为什么会出现生命?会进化出智慧?(负熵) 热力学第二定律还揭示了, 局部的有序是可能的,但必须以其他地方更大无序为代价. 人生存,就要能量,要食物,要以动植物的死亡(熵增)为代价. 万物生长靠太阳.动植物的有序, 又是以太阳核反应的衰竭(熵增),或其他的熵增形势为代价的. 人关在完全封闭的铅盒子里,无法以其他地方的熵增维持自己的负熵. 在这个相对封闭的系统中,熵增的法则破坏了生命的有序. 熵是时间的箭头,在这个宇宙中是不可逆的. 熵与时间密切相关,如果时间停止"流动",熵增也就无从谈起. "任何我们已知的物质能关住"的东西,不是别的,就是"时间". 低温关住的也是"时间". 生命是物质的有序"结构"."结构"与具体的物质不是同一个层次的概念. 就象大厦的建筑材料,和大厦的式样不是同一个层次的概念一样. 生物学已经证明,凡是到了能上网岁数的人, 身体中的原子,已经没有一个是刚出生时候的了. 但是,你还是你,我还是我,生命还在延续. 倒是死了的人,没有了新陈代谢,身体中的分子可以保留很长时间. 意识是比生命更高层次的有序.可以在生命之间传递. 说到这里,我想物质与意识的层次关系应该比较清楚了. 这里之所以将"唯物"二字加上引号. 是因为并不彻底.为什么熵减是这个宇宙的本质,还没法回答. (摘自人民网BBS论坛)

不管对哪一种能量来说,情况都是如此。在蒸汽机中,有一个热库把水变成蒸汽,还有一个冷库把蒸汽冷凝成水。起决定性作用的正是这个温度差。在任何单一的、毫无差别的温度下——不管这个温度有多高——是不可能得到任何功的。

“熵”(entropy)是德国物理学家克劳修斯(Rudolf Clausius, 1822 – 1888)在1850年创造的一个术语,他用它来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。能量分布得越均匀,熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说,能量完全均匀地分布,那么,这个系统的熵就达到最大值。

在克劳修斯看来,在一个系统中,如果听任它自然发展,那么,能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触,热就会以下面所说的方式流动:热物体将冷却,冷物体将变热,直到两个物体达到相同的温度为止。如果把两个水库连接起来,并且其中一个水库的水平面高于另一个水库,那么,万有引力就会使一个水库的水面降低,而使另一个水面升高,直到两个水库的水面均等,而势能也取平为止。

因此,克劳修斯说,自然界中的一个普遍规律是:能量密度的差异倾向于变成均等。换句话说,“熵将随着时间而增大”。

对于能量从密度较高的地方向密度较低的地方流动的研究,过去主要是对于热这种能量形态进行的。因此,关于能量流动和功-能转换的科学就被称为“热力学”,这是从希腊文“热运动”一词变来的。

人们早已断定,能量既不能创造,也不能消灭。这是一条最基本的定律;所以人们把它称为“热力学第一定律”。

克劳修斯所提出的熵随时间而增大的说法,看来差不多也是非常基本的一条普遍规律,所以它被称为“热力学第二定律”。

2.信息论中的熵:信息的度量单位:由信息论的创始人Shannon在著作《通信的数学理论》中提出、建立在概率统计模型上的信息度量。他把信息定义为“用来消除不确定性的东西”。

Shannon公式:I(A)=-logP(A)

I(A)度量事件A发生所提供的信息量,称之为事件A的自信息,P(A)为事件A发生的概率。如果一个随机试验有N个可能的结果或一个随机消息有N个可能值,若它们出现的概率分别为p1,p2,…,pN,则这些事件的自信息的平均值:

H=-SUM(pi*log(pi)),i=1,2…N。H称为熵。

让我们考虑在一个短的时间间隔dt中熵的改变量dS。对理想的机械与实际的机械,情况十分不同。在前一种情形,dS可以完全通过机械与环境之间的交换表达出来。我们可以设计一些实验,其中热是由系统提供的,而不是流进系统的。与之相应的熵的改变量就只是改变它的符号。因此,这种对熵的贡献(我们称作deS),就其符号可正可负这个意义来讲,是可逆的。在实际的机械中,情况根本不同。这里除了可逆的交换之外,我们还有在系统内部的不可逆过程,诸如热损耗、摩擦等。这些不可逆过程引起系统内部熵的增加或“熵产生”。这个熵的增加(我们称作dS)不能通过与外界作逆的热交换来改变其符号。正如一切不可逆过程(例如热传导)的情形那样,熵产生总是在同一方向上进行的。换句话说,dS只能是正的,或是在没有不可逆过程时为零。注意,diS的正号只是习惯上选用的,它当初也完全可以被选择为负的。要点是这个改变量是单调的,即熵产生不会随着时间的前进而改变符号。
选择deS与drS这种记法,是为了提醒读者注意,第一项关系到与外界的交换(e是exchanges的首字母),而第二项指系统内部(i是inside的首字母)的不可逆过程。因此,熵的改变量dS是deS与diS这两项之和,而deS与diS具有完全不同的物理定义。
为了掌握熵的改变量这样分解为两部分的特点,我们可以把我们的表述用在能量上。让我们把能量记作E,而能量在短的时间间隔dt内的改变量记作dE。我们当然仍可把dE 写作两项之和,其中一项是deE,它来自能量的交换,另一项drE联系着能量的“内部产生”。不过,能量守恒原理指出,能量只能从一个地方传递到另一地方,而永远不会被“产生”出来。因此,能量的改变量dE约化为deE。另一方面,如果我们取一个非守恒的量,比如某个容器中所含有的氢分子的数量,那末这个量就的确不仅会由于向容器中增添氢而改变,也会通过容器内部发生的化学反应而改变。但是在这种情况下,“产生”这一项的符号是不确定的。按照不同条件,我们可以产生氢分子,也可以用把氢原子传给其他化学组分的方法消灭氢分子。第二定律独特的地方在于这样的事实:产生项diS永远是正的。熵产生表示出在系统内部发生了不可逆的变化。
克劳修斯能够用系统获得(或提供)的热量来定量地表达熵流deS。在被可逆性与守恒性概念所统治的世界中,他主要关心的就是这一点。在涉及到熵产生中所包含的不可逆过程时,他只说到存在着不等式diS/dt>0。尽管如此,还是取得了重要进步,因为如果我们离开卡诺循环,考虑其他热力学系统,就依然可以作出熵流与熵产生之间的区分。对于一个与周围环境没有任何交换的孤立系统,熵流按照定义等于零。只剩下熵产生这一项,并且系统的熵只能增加或者保持不变。于是这里不再有把不可逆变化看作是可逆变化的近似的问题,增加着的熵相当于系统自发地进化。这样一来,熵变成了一个“进化的指示器”,或像爱丁顿恰当地所说的“时间之矢”。对一切孤立系统,未来就是熵增加的方向。

化学热力学中,熵是系统混乱度的量度,越混乱则熵值越大,如气体的熵大于液体大于固体。熵变用以判断过程的自发性,熵是状态函数,过程熵变等于可逆过程的热温上。隔离系统不可能发生熵变小于零的过程。规定绝对零度的完美晶体熵值为零,标准熵是基于此标准测量的熵。

一个系统吸收(或放出)热量与绝对温度之比称之为熵



  • 18174074496 :"熵"是什么
    甘洪振3479 :答:熵是混乱和无序的度量.熵值越大,混乱无序的程度越大. 我们这个宇宙是熵增的宇宙.热力学第二定律, 体现的就是这个特征. 生命是高度的有序,智慧是高度的有序. 在一个熵增的宇宙为什么会出现生命?会进化出智慧?(负熵) 热力学第二定律还揭示了, 局部的有序是可能的,但必须以其他地方更大无序为代价...
  • 18174074496 :到底什么是熵?
    甘洪振3479 :答:熵是混乱和无序的度量.熵值越大,混乱无序的程度越大. 我们这个宇宙是熵增的宇宙.热力学第二定律,体现的就是这个特征. 生命是高度的有序,智慧是高度的有序. 在一个熵增的宇宙为什么会出现生命?会进化出智慧?(负熵) 热力学第二定律还揭示了, 局部的有序是可能的,但必须以其他地方更大无序为代价....
  • 18174074496 :什么是熵
    甘洪振3479 :答:熵(shāng),热力学中表征物质状态的参量之一,用符号S表示,其物理意义是体系混乱程度的度量。
  • 18174074496 :熵是什么
    甘洪振3479 :答:熵的意思是用于描述“能量退化”的物质状态参数之一。熵拼音:shāng,解释:1、名热力学中表示不能利用来做功的热能的数字(即热能的变化量除以温度所得的商)。2、名科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量度或者某些物质系统状态可能出现的程度。熵的概念 熵的概念是由德国物理学家克劳修斯于1865年所...
  • 18174074496 :“熵”是什么意思?
    甘洪振3479 :答:用符号S表示,其物理意义是体系混乱程度的度量。熵的大小与体系的微观状态Ω有关,即S=klnΩ,其中k为玻尔兹曼常量,k=1.3807x10-23J·K-1。 体系微观状态Ω是大量质点的体系经统计规律而得到的热力学概率,因此熵有统计意义,对只有几个、几十或几百分子的体系就无所谓熵。
  • 18174074496 :什么是熵的含义?(急)
    甘洪振3479 :答:中文名称:熵 英文名称:entropy 定义1:表示物质系统状态的一个物理量(记为S),它表示该状态可能出现的程度。在热力学中,是用以说明热学过程不可逆性的一个比较抽象的物理量。孤立体系中实际发生的过程必然要使它的熵增加。 所属学科: 大气科学(一级学科) ;动力气象学(二级学科) 定义2:热力系...
  • 18174074496 :化学中什么叫熵
    甘洪振3479 :答:形象的来说它就是 混乱度;熵增加的方向就是混乱度 增变大的方向,那么这样 说起来大家似乎容易理解,但实际 上混乱度这个词还有点不好理解, 混乱度实际上就是均匀程度,混乱 度最大就是最均匀。通常大家以为 均匀跟混乱度好像是完全相反,实 际上均匀就是混乱度,任何一个体 系均匀了,就是混乱...
  • 18174074496 :熵字的定义是什么?
    甘洪振3479 :答:2、科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量(liàng)度,某些物质系统状态可能出现的程度。亦被社会科学用以借喻人类社会某些状态的程度。熵笔画如下:熵的同音字:伤,组词如下:伤亡:[shāng wáng]受伤和死亡:~惨重。~了数千人。冻伤:[dòng shāng]病名。皮肤组织因温度过低所引起的伤害。伤害...
  • 18174074496 :熵的定义是什么?
    甘洪振3479 :答:熵在物理学上指热能除以温度所得的商,标志热量转化为功的程度。在科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量度,某些物质系统状态可能出现的程度。亦被社会科学用以借喻人类社会某些状态的程度。此外它还包括热力学定义和统计学定义:一、热力学定义 在热力学中,熵是系统的热力学参量,它代表了系统中不...
  • 18174074496 :什么是熵?
    甘洪振3479 :答:1.化学及热力学中所指的熵,是一种测量在动力学方面不能做功的能量总数。熵亦被用于计算一个系统中的失序现象和复杂程度。2.熵在生态学中是表示生物多样性的指标。 熵是生命科学的借助概念,借助的是热力学第二定律来解释生命现象。3.在信息技术中,它就是指一个事情的不确定的程度.在信息技术中的...
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