熵

1 拼音

shāng

2 英文參考

Entropy

3 概述

熵是熱力學中用以說明熱學過程不可逆性的一個比較抽象的物理量，由克勞修斯（R. Clausius）於1865年首先提出，選用了希臘語中“Entrop”（原意是“轉變”）一詞來表示，用以描述熱量可以轉變爲功的程度。例如，熱量只能從溫度較高的物體轉移到溫度較低的物體而不能沿相反方向轉移；在摩擦中機械功被耗散而變爲熱，但摩擦所發生的熱卻不能反過來再轉變爲機械功。在熱學過程中，用熵來描述熱的轉化的不可逆性；用熵值的大小來描述這種不可逆的轉化已經完成的程度。熵值大，能做功的熱量小；熵值小，能做功的熱量大。對於一個能量已定的系統來說，其熵值可以從零變化到最大。當熵值爲零時，表徵該系統的熱量可以全部做功；當熵值爲最大時，表徵該系統已經沒有可以再做功的能量。

熱力學規定，如果一個系統的絕對溫度爲T，該系統所含的熱量爲Q，用S來表示熵，則S=Q/T。由於S是Q除以T的商數，故中文用表徵熱力學商的“熵”字來表示。在式中，如果系統的絕對溫度T的值小而熱量Q的值大，則熵S的值大，表明該系統能做功的熱量小；反之，如果系統的絕對溫度T的值大而熱量Q的值小，則熵S的值小，表明該系統做功的熱能大。在熱運動中，如果有熱量△Q從溫度（T1）較高的系統轉移到溫度（T2）較低的系統，那麼溫度較高的系統所減少的熵爲△Q/T1，而溫度較低的系統所增加的熵爲△Q/T2。由於T1>T2，所以△Q/T1<△Q/T2。這樣，若把二系統並起來看作爲一個系統時，它的總的熵值是增加的。同樣，摩擦生熱，兩個摩擦物體的熵也有增加。就是說，孤立系統中實際發生的過程必然要使它的熵增加，這一規律用熱力學第二定律來描述。

克勞修斯指出，熵（Entropie）和能（Energie）的字形字意十分接近。能這一概念從正面量度着運動轉化的能力，能越大，運動轉化的能力越大；熵這一概念從反面量度着運動轉化的能力，熵越大，運動喪失轉化的能力越大，即運動不能轉化或轉化已經完成的程度越大。所以，熵表示着系統內部能量的“退化”、“貶值”；熵越大，其能量可利用的程度越小；熵極大，系統達到熱力學平衡態。這樣，可以用熵的變化來判定系統所發生過程的進行方向，以及是否達到平衡態。因熱是實物粒子的混亂運動，熵越大對應着系統內粒子運動越無序，所以可把熵值看作是熱力學系統狀態無序程度的度量。1877年玻爾茲曼（L. Boltzmann）在統計力學中得出了熵的統計表達式，指出熵是系統可能達到的狀態的數目的對數，它表明，一種宏觀狀態所對應的微觀狀態的數目越多，則這種宏觀狀態出現的概率就越大，也就表示這種宏觀狀態越無序，其熵值也越大。這樣，玻爾茲曼的熵定義就比克勞修斯的熵定義更爲廣泛，從廣義上成爲系統無序程度的量度。

4 影響熵值的因素

1872年玻爾茲曼首先對熵給予微觀的解釋，他認爲：在大量微粒（分子、原子、離子等）所構成的體系中，熵就代表了這些微粒之間無規排列的程度，或者說熵代表了體系的混亂度。可見熵是用來描述體系狀態的，因此它是狀態函數，同時熵也與體系所含物質的量有關。影響熵值的因素如下：

①同一物質：S（高溫）＞S（低溫），S（低壓）＞S（高壓）；S（g）＞S（l）＞S（s）；

②相同條件下的不同物質：分子結構越複雜，熵值越大；

③S（混合物）＞MS（純淨物）；

④對於化學反應，由固態物質變成液態物質或由液態物質變成氣態物質（或氣體物質的量增加的反應），熵值增加。

研究發現，一個孤立體系自發過程總是朝着熵增加的方向進行，當熵增加到最大時，體系達到平衡。這叫做熵增加原理。根據這一原理，我們得到了對於孤立體系的熵判據：

ΔS_孤＞0 自發

ΔS_孤=0 平衡

ΔS_孤＜0 非自發

利用熵判據能夠對孤立體系中發生的過程的方向和限度進行判別。如：把氮氣和氧氣於一個容器內進行混合，體系的混亂程度增大，熵值增加（即ΔS＞0），是一個自發進行的過程；相反，欲使該氣體混合物再分離爲N₂和O₂，則混亂度要降低，熵值減小（ΔS＜0），在孤立體系中是不可能的。當然，若環境對體系做功，如利用加壓降溫液化分離的方法可把此混合氣體再分離爲O₂和N₂，但此時體系與環境之間發生了能量交換，故已不是孤立體系了。

5 生命科學和醫學中的熵概念

將熵概念引入生命科學和醫學具有重要意義。新興的生物熱力學對生命活動中的熱運動和熵變化正作出深入研究。人的生命活動是一個複雜的熱力學系統，熵的變化是生理、病理、治療的縱深性內容，由此可以揭示目前醫學尚未明瞭的一些深層規律。中醫學中的陰陽、氣化、寒熱、虛實等理論，實際已反映着人體熵變化的一些內容。70年代以來已正式提出了“熵病”概念，開始探討這一深層病理。已有的研究證明，“熵病”和中醫學的“證”在內涵上十分一致，由此可以推進對“證”本質研究的深化發展。