熵增

物理定义:熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程(Bortz, 1986; Roth, 1993)。 热力学定义:熵增加,系统的总能量不变,但其中可用部分减少。

统计学定义:熵衡量系统的无序性。熵越高的系统就越难精确描述其微观状态。

早在1943年,在爱尔兰都柏林三一学院的多次演讲中,薛定谔就指出了熵增过程也必然体现在生命体系之中,其于1944年出版的著作《生命是什么》 中更是将其列为其基本观点,即“生命是非平衡系统并以负熵为生。”

人体是一个巨大的化学反应库,生命的代谢过程建立在生物化学反应的基础上。从某种角度来讲,生命的意义就在于具有抵抗自身熵增的能力,即具有熵减的能力。在人体的生命化学活动中,自发和非自发过程同时存在,相互依存,因为熵增的必然性,生命体不断地由有序走回无序,最终不可逆地走向老化死亡。

熵的定义

熵,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。

(1)经典热力学
1865年,克劳休斯将发现的新的状态函数命名为熵,用增量定义为 ,式中T为物质的热力学温度;dQ为熵增过程中加入物质的热量。若过程是不可逆的,则 ,下标“ir”是英文单词“irreversible‘’的缩写,表示加热过程所引起的变化过程是不可逆的。

合并以上两式可得 ,此式叫做克劳休斯不等式,是热力学中第二定律最普遍的表达式。

(2)统计热力学
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=1.3807×10-23J·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。

熵的性质

(1)状态函数熵S是状态函数,具有加和(容量)性质(即对于系统M可分为M1与M2,则有SM=SM1+SM2),是广度量非守恒量,因为其定义式中的热量与物质的量成正比,但确定的状态有确定量。其变化量ΔS只决定于体系的始终态而与过程可逆与否无关。由于体系熵的变化值等于可逆过程热温商δQ/T之和,所以只能通过可逆过程求的体系的熵变。孤立体系的可逆变化或绝热可逆变化过程ΔS=0。

(2)宏观量熵是宏观量,是构成体系的大量微观离子集体表现出来的性质。它包括分子的平动、振动、转动、电子运动及核自旋运动所贡献的熵,谈论个别微观粒子的熵无意义。

(3)绝对值熵的绝对值不能由热力学第二定律确定。可根据量热数据由第三定律确定熵的绝对值,叫规定熵或量热法。还可由分子的微观结构数据用统计热力学的方法计算出熵的绝对值,叫统计熵或光谱熵。

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