由热力学理论分析土壤系统的熵毕业论文.doc

由热力学理论分析土壤系统的熵毕业论文目 录目录 （）中文摘要、关键词 （）1、引言 （1）2、熵概念的提出 （1）3、熵的意义 （2）3.1 热力学熵 （3）3.2 统计熵 （4）3.3 信息熵 （4）4、熵变的计算 （5）4.1可逆过程熵变的计算 （5）4.2求解熵变应注意的两个问题（5）5、土壤系统熵 （6）6、结束语 （10）参考文献 （11）英文摘要、关键词 （11）摘要：本文根据热力学中熵理论，来研究土壤系统的肥力。土壤系统熵越低表示土壤系统的肥力越高 。土壤系统熵值有稳定性, 可作为土壤分类的依据。因为熵值计算排除了空间条件和不同作物种类与其它偶然因素评价土壤肥力的影响, 因而可供比较应用。土壤系统熵既反映了系统的结构状态, 也反映了输入能量的可用程度, 因此是土壤作为一个耗散结构的基本性质指标, 从而实现了土壤肥力评价中的生态效率和经济效益的结合, 并且为系统论土壤学的研究对象提供了认识的基础。土壤系统熵和土壤信息量有同等意义，是对土壤系统进行最优化反馈控制的依据。用熵这样一个量来衡量土壤系统的肥力，有利于合理利用土地，提高肥力，减少能源的浪费。关键词：土壤系统，熵，土壤肥力，耗散理论1由热力学理论分析土壤系统的熵 一 引言“熵”这个词是由以善于构思物理概念著称的德国著名物理学家克劳修斯首创，它是热力学和统计物理中特有的宏观量. 随着科学的发展和认识的不断深入，“熵”这个物理学概念已渗透到了自然科学和社会科学的各个领域，涉及信息论、控制论、哲学、经济学等学科领域中。杰里米里夫金提出：熵是一种新的世界观；伟大的物理学家爱因斯坦认为：熵理论，对于整个科学来说是第一法则；美国著名学者里符金赞誉熵理论将成为 21 世纪文明观的基础；英国文学怪杰斯诺也将理解和掌握熵理论的必要性喻为：一位对热力学第二定律一无所知的人文学者和一位对莎士比亚著作一无所知的科学家同样糟糕. 追溯熵概念的提出，发展及其拓展，将极大促进人们对熵概念的全面理解，并运用熵理论正确指导人们的生产和生活实践。熵概念在土壤学和农学中的应用, 是新兴学科系统土壤学的任务, 为土壤肥力和农业系统工作效率提出了新的评判指标, 现根据接触到的文献, 简单介绍一下实际应用和检验的情况。1989年河南农科院土肥所李宝贵最早发表研究论文(得到北京农大土化系陈伦寿、毛达如两位教授支持, 农村生态环境, 1989 年3 期),报导应用土壤熵概念对河北曲周县不同土壤试验资料整理计算结果, 指出土壤熵的提出为确定系统土壤学对象提供了认识的基础, 熵级指标和陈清硕最早公布的结果一致。同期河南大学地理系马建华在自然地理土壤地理卷上发表论文引用土壤熵公式分析土地系统熵。随后北农大植物营养学教授农业部教育司司长毛达如和张承东、骆美贞发表论文应用“土壤系统熵”对土壤肥力的评判, 引用河北曲周县三种肥力的土壤进行了土壤系统熵计算, 认为土壤熵指标既可以评判土壤基础肥力, 也可以在施肥后对土壤肥力进行综合效果评判, 既能定性又能定量。本文将从土壤肥力方面论述土壤与熵的关系。二“熵”概念的提出“熵”(entropy)是德国物理学家克劳修斯在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”。熵是描述热力学系统的重要态函数之一。我们知道，为了定量表述热力学第零定律（即热平衡规律）建立了温度的概念；为了定量表述热力学第一定律，建立了内能的概念；与此类似，为了定量表述热力学第二定律，才建立了熵的概念。熵的大小反映系统所处状态的稳定情况，熵的变化指明热力学过程进行的方向，物理过程的方向性用熵增加原理来表示，熵为热力学第二定律提供了定量表述。 熵的概念比较抽象，初次接触它，很难透彻了解。但熵的概念很重要，随着科技的发展，很多学科都引入了熵的概念，所以对于熵的学习也显得越来越重要，有人说，熵概念的重要性丝毫不亚于能量的概念。 三 熵的意义熵是描述自然界一切过程具有单向性特征的物理量。热传导、功变热和气体自由膨胀等物理过程具有单向性（或不可逆性）特征，热量能自发地从高温物体传到低温物体，但热量从低温物体传到高温物体的过程则不能自发发生；机械功可通过摩擦全部转化为热，但热不可能全部转化为机械功；气体能向真空室自由膨胀，使本身体积扩大而充满整个容器，但决不会自动地收缩到容器中的一部分。德国物理学家克劳修斯首先注意到自然界中实际过程的方向性或不可逆性的特性，从而引进了一个与“能”有亲缘关系的物理量-“熵”。熵常用S表示，它定义为：一个系统的熵的变化S是该系统吸收（或放出）的热量与绝对温度T的“商”，即 （3.1）当系统吸收热量时，取为正；当系统放出热量时，Q取为负。这里我们定义的是熵的变化，而不是熵本身的值。这种情况与讨论内能或电势能和电势时一样，在这些问题中重要的是有关物理量的变化量。这样定义的熵是如何描述实际过程单向性特征的呢？以热传导过程为例，热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不能自发地从低温物体传向高温物体。设高温物体的温度为T1，低温物体的温度为T2，在热量Q从高温物体转移到低温物体的过程中，高温物体熵变为，低温物体熵变为，总系统熵变为 （3.2）因为T1T2，所以总熵变S0，这表明，在热传导过程中系统系统的熵增加了。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。热力学第二定律还揭示了：局部的有序是可能的，但必须以其他地方的更大无序为代价。玻尔兹曼在研究分子运动统计现象的基础上提出来了公式： (3.3) 其中，为系统分子的状态数，k为玻尔兹曼常数。 这个公式反映了熵函数的统计学意义，它将系统的宏观物理量S与微观物理量联系起来，成为联系宏观与微观的重要桥梁之一。基于上述熵与热力学几率之间的关系，可以得出结论：系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，系统的熵值越小，它所处的状态越是有序，越不均匀；系统的熵值越大，它所处的状态越是无序，越均匀。系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大（即从有序走向无序）的状态转变，这就是隔离系统“熵值增大原理”的微观物理意义。而根据熵的不同用途或意义又可以划分为以下种类3.1 热力学熵熵诞生于热力学这门学科，1865年由克劳修斯首先认识并定名，其意为“热量除以温度的商”。它是描述热力学系统平衡态的一个态函数，用公式表示为： 或 （3.4）其中和分别表示初末状态的熵值，是绝对温度，是热量，叫熵变。等号对应可逆过程，大于号对应不可逆过程。由此可知，在孤立系统中进行的过程，永远使熵有增无减，对可逆过程，系统的熵不变，对不可逆过程，系统的熵总是增加，这叫熵增加原理。根据这一原理，以熵变为判据，不仅可以判断不可逆过程进行的方向和限度，而且还需要能给出孤立系统达到平衡的必要条件，即任何自发过程都是由非平衡态趋向平衡态，当系统达到平衡态，熵增加到最大值。从宏观上讲，熵是反映热过程方向的物理量，是量度能量的退化或进化的。熵是不可用能的量度，一个系统的熵愈增，不可用能愈大。3.2 统计熵 玻尔兹曼将熵与系统的热力学概率联系起来，建立了著名的玻尔兹曼关系式： （3.5）式中与系统任一给定的宏观状态相对应，表示系统可能有的微观状态数，是玻尔兹曼常量，其值为.若一个系统共有个微观状态数，按照等概率原理，每个微观状态出现的概率均为，上式可写为： （3.6）如以P表示概率，上式可写为： 。 玻尔兹曼关系式中的熵称作统计熵，它是热力学熵的微观解释。所谓熵，是反映系统宏观态所具有的微观状态的数目或热力学概率的量，热力学概率愈大，表示系统的状态愈混乱无序。因此，熵是系统无序度或混乱度的量度，孤立系统内部发生的过程总是从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡，熵的增加意味着系统无序度的增加。3.3信息熵1948年信息论的创始人香农从概率的角度给出信息量的定义。随机事件出现的不确定度用其出现的概率来描述，事件出现的可能性愈小，概率就愈小，而所含的信息量却愈大；相反，事件出现的可能性愈大，概率就愈大，而所含的信息量却愈小。若各事件概率分布不等，则信源提供的平均信息量H为： （3.7）式中称为信息熵， 为某个事件出现的概率， 为事件所提供的信息量。在信息熵公式中有负号，表示系统获得信息后无序状态的减少或消除，或者说，一个系统的状态越是有序，它告诉我们的信息就越多，状态越是无序，它给我们的信息就越少，熵的增加就意味着信息的减少。所以玻尔兹曼说：“熵是一个系统失去信息的量度。”即信息量相当于负熵，信息的失去为负熵的增加所补偿。四 熵变的计算4.1 可逆过程熵变的计算根据克劳休斯数学表达式可知, 如果两平衡态间的过程是可逆的, 熵变可用 (4.1)求得( S1 和S2 分别表示系统在1 态和2 态的熵) . 可逆过程熵变可通过n 摩尔理想气体从初态1变化到末态2 求得.即( 1) 等温过程 (4.2)( 2) 等压过程 (4.3)( 3) 等容过程 (4.4)( 4) 绝热过程 (4.5)若系统经历一个可逆循环过程, 则由定义式得 （4.6）即熵变为零.实践证明, 在土壤 植物 环境这个大的体系中, 存在着能量及其转换的关系,80年代中期,陈清硕提出以土壤系统熵来表征土壤肥力, 反映了土壤、植物与环境的结构状态以及能量输入输出的程度, 使传统的土壤农化和植物营养研究结果由特殊性上升到了普遍性, 为认识评价土壤的肥力水平、植物品种的适种性、肥料施用的广延性等方面提供了另一概念的理论依据, 使以往孤立的试验结果有了一个统一的比较分析标准。4.2 求解熵变应注意的两个问题( 1) 判别热力学过程是否可逆是解决问题的关键. 若为可逆过程, 直接用上面给出的公式求解; 若为不可逆过程, 必须明确不可逆过程中不变的状态参量, 然后设计一个该状态参量恒定的可逆过程求解熵变.( 2) 若要完整地求解熵变问题, 必须熟练掌握各可逆过程中的过程方程、迈耶公式、比热容等常用表达式.五 土壤系统熵根据耗散结构理论提出表征土壤肥力的土壤系统熵的概念, 其定义是土壤系统中单位物质转化过程中的势能耗损。对应Schrodinger的负熵理论, 土壤系统熵越低, 土壤肥力越高。土壤系统熵可分为两部分, 一是表征土壤基础肥力的,命名为起始熵。另一是表征土壤人工肥力的, 指因化学氮素投入所引起系统状态的变化, 称为熵变,土壤系统熵是两部分之和，是土壤生产力和系统转换效率的综合指标。土壤系统熵值有稳定性, 可作为土壤分类的依据。因为熵值计算排除了空间条件和不同作物种类与其它偶然因素评价土壤肥力的影响, 因而可供比较应用。土壤系统熵既反映了系统的结构状态, 也反映了输入能量的可用程度, 因此是土壤作为一个耗散结构的基本性质指标, 从而实现了土壤肥力评价中的生态效率和经济效益的结合, 并且为系统论土壤学的研究对象提供了认识的基础。土壤系统熵和土壤信息量有同等意义，是对土壤系统进行最优化反馈控制的依据。土壤系统内部各个要素间相互作用、相互制约，组成了一个非线性层次网络结构。土壤系统的运行的绩效和持续发展是系统自组织作用和系统与环境的相互作用共同决定的。复杂自组织系统的熵变理论研究是目前国内外关于系统效能评价的较前沿的研究，其动态地反映了系统的演化过程及发展趋势，其中熵增理论揭示了封闭系统内部各要素相互作用而导致系统的无序及效率递减的规律，耗散理论则揭示了开放系统在与外部环境进行能量、物质交换过程中，由混乱无序的初始状态向稳定有序的组织结构进行演化的过程及系统效率递增的规律。耗散理论是由比利时物理学家普利高津提出的。普利高津认为孤立封闭的系统是一个熵增加的过程，在一个孤立封闭系统中，由于组织自身的复杂性和环境的复杂性，使其演化充满不确定性和混沌，从而导致有效能量递减，无效能量递增，系统从有序向无序发展，从而使系统效能不断降低。系统熵增使封闭的系统绩效逐步降低并最终走向衰亡。耗散结构是指一个远离平衡状态的开放系统，它与外界环境不断地交换物质和能量，当这一外界条件达到阈值时，系统能从原有的混乱无序状态转变为一种在时间、空间或功能上的有序状态，这种在远离平衡态所形成的新的有序结构称作耗散结构。耗散结构是一个负熵不断增加的过程，是系统不断从周围环境引入能量、物质以抵消系统内部熵增的过程。一个系统从无序到有序形成耗散结构需满足以下几个条件：系统必须开放；远离平衡态；系统各要素间非线性相互作用；涨落现象。熵概念在土壤学中的应用, 就是要解决能源物质提供的能量在土壤系统中能转换成多少功的问题。有机物质是土壤中最主要的能源物质, 有机质在土壤系统中的分解和合成, 就是一种能量的流动。形成的能流好比一条河流, 假设这条河流的单位质量水体顺坡往下流去,其位能就会不断释放出来并转化为动能。部分因摩擦以热能形式无效耗散掉, 由此获得的动能, 是河流用以切割自身河道形成流网的主要动力。热力学系统中的绝对温度, 正好与河流系统中的高度（决定落差） 相当, 系统中的热能则和河流系统中的位能相当, 采用这样的类比法, 就可以获得河流系统熵（）的定义) （5.1）式中是河流熵, 是单位质量水体的位能,H为河流起点和终点的落差。基于同样的理由, 我们也可想象土壤系统中藉能源物质分解在单位面积上形成的养料物质(或人工投入的物质) 造成了浓度势差, 就是相当于河流系统中的落差。物质在转化过程中伴随能量流动, ，其中一部分做为辐射能的载体被作物吸收利用, 另一部分因“ 摩擦” 而不能被利用, 被作物利用部的能量就相当热力学系统中的自由能。不能被利用的部 分就相当系统中的束缚能。因此，我们可以得到土壤系统熵的定义为 （5.2）式中表示土壤系统熵，为单位而积上因能源物质分解形成的有效物质或人工输入的物质, 它是一个强度因素, 与热力学系统中的温度相当,为相应的物质势能损失, 相当于河流系统中的位能损失和热力学系统中的热量。对于土壤开放系统, 熵变是由两部分引起的,一部分来自外界交换的熵流（）.另一部分是系统内部的熵产生（） 我们有 （5.3）要提高肥力,体系熵（）不增加，即, 此时,由此可见，只有熵流是负值才能实现, 这正对应着Schrodinge 提出的情况, 生命之所以存在是因为从环境中不断得到负熵，, 或者说是吃进了“次序”。例如在光合作用中, 贮存能量 为112千卡/克分子，而其贮藏的自由能为120千卡/克分子，它比略高，即为负熵，因为过程中，和 三者的关系是 （5.4）式中T 为温度,出现负值, 是因为一个含有较大糖分子和较小氧分子的系统, 比一个只包含有和 这样的小分子来说, 显得更为有序, 这样, 光合作用实际是增加了系统的有序性, 即熵值的降低。即是从传统土壤学的土壤肥力定义看, 所谓土壤肥力是指土壤生长植物的能力, 这种能力越强, 意味着有利于光合过程，所以土壤肥力提高，土壤系统熵值必然降低。根据Haken 的协同理论, 优先发展的支配参量是系统稳定有序化的基础, 忽视优先会导致整个系统的混乱无序。在考虑土壤系统的支配参量时, 传统土壤科学的长期研究提供了认识的基础。早在上世纪末, 发生学土壤学的奠基人就提出土壤是岩石和植物交互作用的产物, 它在空间上的分布决定于气候和地形条件, 它在时间上，决定于地区的年龄。威廉士指出土壤形成过程的本质是植物营养元素地质大循环和生物小循环矛盾对立的统一, 生物循环是矛盾的主要方面, 造成氮素和其它养料在地表层中的富集, 从而使土壤肥力得以形成和发展。岩石和风化母质中缺少氮素, 因此在农业中, 除个别地区外, 土壤的氮素饥饿普遍成为生产中的限制因素。土壤中氮素的输入累积和释放输出, 是土壤中最基本的质量平衡方程的内容。因为土壤中98% 的氮素都以有机质的形态存在, 从而不用其它假设, 就足以说明土壤有机质（腐殖质） 对肥力的贡献。当然不是说有机质越多越好, 有讥质的大量累积经常是土壤滞水被窒息从而损害了肥力。有机质或土壤腐殖质是能源物质, 都有相应的热值, 例如吨土壤腐殖质相当千卡能量(即每斤腐殖质分解相当释放焦耳能量，作为农产品种子输出, 每斤热值因质量不同相差有限约 焦耳。在没有人工施肥的土壤中, 农作物经济输出是以消耗土壤腐殖质能量为代价的。作为腐殖质的接近一个常数,一定氮素的矿化相应的分解一定量的腐殖质, 有了这些数据, 就可以根据土壤形成过程中土壤内能的变化公式得到土壤系统熵的计算式, 因为。所以 （5.5）或者是 （5.6）式中表示腐殖质和有机氮的矿化率, ,， 表示腐殖质和农作物种子的折能系数，上式的物理意义是很明确的,分子所表示的是土壤的内能减去自由能即做功的部分, 分母是腐殖质释放的有效氮, 相当于浓度势差即热力学系统中的温度, 其意义是不施肥的土壤每消耗1斤土壤有效氮所带来的能源物质势能的损失, 它表示土体性质、作物基因势与环境条件的综合作用，是土体-植物-环境系统中物质能量转换效率的表现, 其意义和热力学系统中熵的概念完全相同。威廉士早就说过, 没有不良的土壤, 只有不良的耕作方法, 肥沃的土壤不但要求产量高，而且投入的人工补助能量要少。在能源日益紧张的现代, 用这种认识来看待土壤肥力, 是完全必要的, 花费太大获得高产, 引起熵值大幅度上升, 这样的土壤不应当列入高产土壤的列。例如过去很多土壤培肥研究基点, 依靠大量投入物质能量取得较高产量, 往往造成得不偿失的后果。需知所费多于所当费, 或所得少于所可得, 都是浪费, 从而可见土壤系统熵的研究对计划土壤管理的意义。一切土壤利用改良的措施, 都应以降低土壤系统熵为目的。因为熵值上升也意味着土壤信息量的减少, 说明系统中的信息传递可能发生障碍, 必须发展反馈控制, 才能使系统低熵优化。现代土壤系统工程用线性规划做出改土计划, 正是在能量输入的约束条件下进行的, 其目的就是在确保增产的同时, 不提高土壤系统熵。六 结束语现今人类社会的发展, 科学技术的进步, 社会生产力的提高, 自然界都付出了代价, 那就是熵的增加, 人们可以因需要生产出低熵的产品, 可是同时也生产出了高熵的废物, 人们可以使自己尽可能地生活在一个低熵的环境, 但也只是因为把高熵环境留给了别人, 系统本身的熵增无法避免,人, 当然不喜欢污染, 不喜欢灾害, 不喜欢爱到熵的一切其它形式的报复, 怎么办呢? 我们要让熵的产出尽可能的少, 尽可能地要克制, 要节约,要探求一个人类最佳且又合适的生活模式, 因为可提供我们的不可再生的资源的能源终究会枯竭, 还因为它会减少熵的产出, 我们要把自己, 他人和整个自然环境看成是一个整体, 要考虑今天,也要考虑明天, 我们一定要保护好自然提供我们的生态环境, 因为它是我们唯一可以通过接收太阳提供的能量把我们的熵降下来的命运之神.参考文献：1 张玉龙，熵的讨论， 郧阳师范高等专科学校学报，第25卷第6期 2005年2 陈清硕，土壤系统熵，江苏农学院学报，01期 1984年3 贺会玲，熵与生态环境，生物学通报，07期 2005年 4 陈清硕，土壤熵、农业熵受到实际应用检验，南京农专学报，01期 2000年 5 张东，张宁，物理学中的熵理论及其应用研究，北京联合大学学报(自然科学版) , 01期 2007年 The thermodynamics theory analysis of soil system entropyAbstract：This article by the entropy thermodynamics theory, the system of the soil fertility. Soil system entropy lower soil fertility that the system of higher. By the entropy of such a measure of the system of soil fertility, for rational use of the land, raising the soil, and reduce energy to waste. The entropy of the value of stability and a system for classification of the soil. Because entropy value for the space and different varieties of crops and other accidentally evaluation soil fertility, and for more application. Because entropy value for the space and different varieties of crops and other accidentally evaluation soil fertility, and for more application. Because entropy value for the space and different varieties of