热力学的第二定律的认识和思考
N=4: a,b,c,d 四个分子
退回到左边的概率是1/16
N ~NA=6.02×1023 ,退回到左边的概率是 概率太小, 不可能实现. 微观状态: 按具体分子来分 宏观状态: 按分子个数来分
微观状态数: 16 宏观状态数: 5
? 随着分子数N的增加,分子在A、B两室平均分配的宏观状态所包含的微观状态数
目越来越多
? 当N ~NA=6.02×1023时,分子在AB两室平均分配的宏观状态所包含的
微观状态数目/总的微观状态数目~100% [2]
3.3 热力学第二定律的统计表述
自由膨胀的方向: 概率小的宏观状态 →概率大的宏观状态
包含微观状态数目少的宏观状态→包含微观状态数目多的宏观状态
热力学第二定律的统计意义: 一个不受外界影响的封闭系统, 其内部发生的过程总是由概率小的宏观状态向概率大的宏观状态进行, 由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行
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. 热功转换：
功 → 热
分子有规则定向运动 → 分子无规则运动
适用范围 :
(1) 只适用于包含有大量分子的热力学系统, 对少量分子组成的系统是不适用的. (2) 只适用于有限空间的封闭系统.
3.4熵与宏观概率Ω------ 玻耳兹曼公式
S=klnΩ
其中 k---玻耳兹曼常数 Ω---宏观状态所包含的微观状态数目 例.1mol理想气体自由膨胀的熵变
.
推导:
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热力学角度: 非平衡态→平衡态
S小 → S大
统计角度: 概率Ω小→概率Ω大 S = f(Ω)
S=S1+S2=f(Ω1)+ f(Ω2) S = f(Ω)= f(Ω1·Ω2) ∴f(Ω1·Ω2)=f(Ω1)+ f(Ω2) 数学上可以推出: S = f(Ω)∝lnΩ
S = klnΩ
3.5 与无序度的关系
无序度---混乱程度
无序度低 (有序度高), 则概率小→S 小 无序度高 (有序度低), 则概率大→S 大 自然过程：概率小→概率大 S小 → S大
例：
有规则定向运动 → 无规则运动
3.6 熵函数的微观意义(与熵增原理的关系) [4]
(1) 熵与宏观状态所包含的微观状态数目相联系
(2) 熵是(宏观态所对应的大量微观粒子热运动所引起的)无序程度的定量量度. (3) 熵增的方向即向微观状态数多的宏观状态转变的方向, 使系统更混乱, 更无序
4 热力学第二定律的思考
4.1热力学第二定律与时间反演性
时间T到-T的变换叫做时间反演，这相当于时间倒流，在力学中保守系具有时
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间反演性，而“耗散系”不具有时间反演性。“耗散”是 一个宏观的概念，几乎所有的微观过程都是可逆的，而从微观过度到宏观过程就可能变为不可逆的过程。在“耗散”系中能量的转变设计热力学过程，相当于从宏观看来具有整体的能量转化为杂乱无章的分子热运动动能和分子势能。而在“保守系”中能量没有转化为杂乱无章的热运动动能和势能，只在动能和势能之间转化。
4.2理解时间的流逝
热力学第二定律是自然界所有单方向变化过程的共同规律，而时间的变化就是一个单向的不可逆的过程，因此可以这样假设：时间的运动方向，就是熵增加的方向。由此，热力学第二定律就给出了一个时间箭头，通过进一步研究表明，能量守恒与时间的均匀性有关，即热力学第一定律告诉我们，时间是均匀流逝的。这两条定律合在一起就是：时间在向着特定的方向均匀地流逝着。
4.3 在信息熵中的应用
人类在长期的电讯通信实践中，不断在力图提高通信的有效性和可靠性。提高有效性就是尽可能用最窄的频带，尽可能快和尽可能降低能耗，即提高通信的经济性；高可靠性，就是要力图消除或减少噪音，以提高通信的质量。随着电子通信发展到一定阶段后，人们在实践中发现，在一定的条件下，要同时实现上述这两个要求，会遇到不可克服的困难：要减少噪音的干扰，信息传输速率就得降低；反之，提高了传输速率就不能有效地避免噪扰，在一定的具体的客观条件下，想要同时提高电讯通信的效率和可靠性的企图总是失败的。于是有人想到在限定的条件下同时提高通信的效率和可靠性的要求可能存在一种理论上的界限。1948年，美国贝尔电讯实验所的工程师申农提出了了一个数学模型，对于信息的产生和传输这些概念从量的方面给以定义，提出了信道和信息量等概念，利用熵的形成导入了信道容量这一新的重要概念，并且确定了信号频带宽度、超扰值和信道传输率三者之间的一般关系。从而，我们可以用信息熵来描述信道上传输信息的容量。这就是热力学第二定律在信息传输技术中的一些应用。[2] [5]
4.4 与生命活动的联系
在生命自然演化的意义上，熵概念的本质是生命系统（机体）创造机能下降，熵增的过程是生命系统自衰落至死亡的老化过程。如果我们以单一的生命体作为一个系统，那它是一个开放系统，与环境既有物质交换，也有能量的流通；基于此，而生
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命体可以进行众多的生命活动，而这又是为了摄取“负熵”——或者认为是通过外界的能量来减少生命体本身的熵，就如同一个热机与另外的热库进行热交换使这个系统恢复到原始状态。如果这么看似乎无法满足熵增原理中条件“孤立系统”，但是，每个生命体都必须维持自己生命活动的稳定性状态，也就是生命学中的“稳态”，而这个状态则必然与整个环境相不同，因此当我们粗略的看待一个生态系统时，可以将这个生命体当作“孤立系统中的一份子”。
从物质能量流动的角度讲，生命过程是一个物质能量的传输和集中过程，物质能量的集中就是生物的生长。当生物不再生长时，生物的生存过程就是纯粹的物质能量传输过程。从热力学的角度讲，生命过程可以认为是一个符合热力学第二定律的区域性的自发的熵减过程，在包括生命体及其生存环境的总系统中，熵是增加的。熵减过程就是生物的生长过程。当熵减过程结束后，维持已有的负熵值的过程就是生物的生存过程。为了生产负熵，更为了维持已有的负熵值，系统必须始终存在一个熵增的物质能量传输过程。新陈代谢过程中，除了包含有一个熵减的物质能量集中过程外，还包含了一个使生物生长不违反第二定律的熵增的物质能量的传输过程。显然，只有当生命系统是一个与外界有物质和能量交换的开放系统时，符合第二定律的熵减过程才有可能发生。下面我们简单地通过生命体生存发展的几个过程加以阐述：
（一）生 从一个受精卵开始，生命体拥有了一个属于自己的系统，这个系统独立于所生活的自然，而生命的一个必然进程就是“抵抗熵增”——为了避免死亡而摄取“负熵”。
（二）老 薛定谔在他著名的《生命是什么》一书中，认为生命体是“以负熵为生的”。生命体为了维持它的有序结构，必须“吃进负熵”，耗散结构理论的创始人普里高津也认为，系统的熵由系统自身不断产生的正熵和外界流入系统的熵两部分组成。因此，要维持一个有序的、具有负熵值的系统，则必须由外界不断的向系统输入负熵。正是指这个道理，衰老是一个长期的持续性的过程，为了对抗这个过程，吸取负熵是其途径，不同的生命体吸取负熵的方法不同，对于绿色植物则通过光合作用来减少自身的熵，而对于动物（当然包括人类）来说，食物就是负熵，这就是我们需要不断进食的原因所在。之所以食物是负熵，其实更准确的说法是将食物中的能量用于减少生命体自身的熵，类似于一个热机与另外的热库进行热交换使这个系统恢复到原始状态这个过程。实际上，进食摄取能量进而回归机体稳态就是生命的主要意义。 但是摄入负熵的能力会随着时间而减弱，当人类摄入的负熵少到体内的平衡受到破坏时，
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体内的熵达到了一个限度时人的生命也就要终结了。而这之前“摄入负熵能力下降”的过程就是衰老。
（三）死 生命的结局是什么？对于这个问题，很简单，就是死亡，也可说是同化，尘归尘，土归土，将生命中的物质，能量回归系统，与系统同化，而物理学中指出，这种想对于独立的混合具有更大的混乱度，其所拥有的熵也是最大的，这是整个系统遵循热力学第二定律的必然结果，所以“死亡”、“同化”、“熵增”是必须的，不可违抗的，生命的活动是一个不可逆的过程，因为这个系统必须遵循热力学中熵增的规律。
5 总结
我们把自然生命系统和工程热力系统演化的熵称为“机体熵”或“机能熵”，也可以称为“系统熵”。这是真正意义上的熵，具有广义生命演化意义上的熵，体现了生命系统衰落的过程。通过上述的讨论，我们已经感觉到，生命现象的物理学解释，或者更具体的讲，生命现象的热力学解释，生命现象的物质能量流动解释，已使我们可以在一定程度上理解和把握生命的本质，显然，上述的关于生命现象的物理解释，才仅仅是一个开端，许多问题还没有说明，本文试图从物理学的角度、从物质能量流动的角度对生命现象给出一些解释。但就我目前所掌握的物理学方面的知识而言，还无法就上述所有问题给出明确的解释。因此，本文只能给出一些粗浅的解释，但也是基本的解释，我想，热力学第二定律的意义已经远远超出了热力学的范围，用热力学第二定律解释生命活动的本质则是一个非常有趣的过程，不仅加深了对这条定律的理解，同时也让人看到了科学的美。如果能沿着这样一个思路深入挖掘，必将会对生命体生存发展有更深入的理解，这一议题对于人类社会的发展也将产生非常重要的影响。
参考文献：
1、《物理学史》. 郭奕玲, 沈慧君. 北京: 清华大学出版社, 1993. 2、《改变世界的物理学》. 倪光炯等著. 上海: 复旦大学出版社, 1999 3、《热力学与统计物理学》，龚昌德编，高等教育出版社，1984年版。 4、《热学》李椿、章立源、钱尚武编，人民教育出版社，1982年版。 5、《现代物理知识》，2001年第3期。
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