2.熵的概念在物理学中的重要意义

熵的概念在物理学中的重要意义可逆与不可逆也是物理学的重要原理，凡是可逆的就是守恒的、绝对的，而凡是不可逆的就是不守恒的、相对的。这是因为，可逆与不可逆是标志自然过程方向性的物理概念。某一物质系统经过某一过程，由某一状态变到另一状态，如果它能使物质系统和环境完全复原，即物质复原到原来状态，同时消除了原来过程对环境所产生的影响，则原来的过程称为可逆过程。反之，如果用任何方法都不可能使系统和环境完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。在热力学中，热总是自发地从高温部分传向低温部分，最后达到热平衡状态，描述这类热传导过程的是傅立叶方程，它刻划的是不可逆性。热力学第二定律揭示了过程的单向性，描述了时间的不可逆性。它指出，对于一个孤立系统中的不可逆过程，熵会随着时间的流逝而增大。物理学往往把近似的可逆过程固定化，看作是完全的可逆过程，如牛顿运动方程，虽然包含有时间，但不包含时间的箭头，其实，时间最本质的就是它的方向性。如过去、现在、未来，这些都是有明显的方向性的。物理学认为时间是标量是一个根本性错误，时间是矢量。正因为物理学错误地认为时间是标量，直接导致了牛顿运动方程的近似性。熵是物理学中的一个基本概念，是用来描述和研究自然界中广泛存在的运动形式转化的不可逆性的一个极其重要的概念。从1846年克劳修斯在热力学中引入熵的概念到如今已经有160多年的历史，但是在它提出160多年的期间，如何理解熵的含义及本质，如何计算不同情况下熵的大小等方面仍有许多课题需要深入研究。随着物理学的发展，人们对熵的认识更加深入了，也更加拓宽了。而今它已经成为各门科学技术甚至是某些社会科学的重要概念，它渗透在自然过程和人类生活的各个方面，蕴含了极其丰富的内容。熵的概念是在热力学第二定律的基础上确立起来的。热力学第二定律有两种表述方法，克劳修斯表述为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它影响”；开尔文表述为：“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其它的影响”。热力学第二定律是有关过程运动方向的规律。两种表述方式描述的是两类不同现象，表述形式上不一样，但是两者都强调了过程的不可逆性，即定性的指出：热力学系统中一切与热现象有关的实际宏观过程的方向性及其所依赖的初、终两态的差异性。为定量精确的描述热力学第二定律，克劳修斯在1854年初步引入了新的物理量，1865年正式命名为熵（entrpy），以符号S表示。吴大猷曾经说过：“熵的概念是很复杂很深的，很多书为了方便，只从统计观点来解释熵，虽不说这是错，但这是不够的。”曹则贤认为：熵的概念是一个丰富的矿藏，但不能窥见其奥妙只万一，且一篇短文也不足以描绘神龙之首尾。普利高津指出：熵是一个奇怪的物理量，不可能给出一个完备的解释。赫尔曼。哈肯说：“在涉及到熵这一概念时，物理学家们本身也存在着相当的混乱。”普里高津：“有序和无序总是同时出现的，这可能是生命出现的规则，也可能是宇宙创立的规则。”我国著名的科学家冯端院士认为：“熵是一个极其重要的物理量，但却以其难懂而闻名于世。”北京大学物理系原主任赵凯华认为：“热量从高温传到低温熵增加意味着能量的分散和退降，即把熵看做能量退化贬值的量度。”总之，熵是系统混乱程度的度量，熵是一种能量在空间分布均匀程度的物理量。S即为熵(energy)，表示物体的转变含量。熵和能的概念有某种相似性——能从正面量度着运动转化的能力，能越大运动转化的能力越大；熵从反面量度着运动转化的能力，表示转化已经完成的程度，即运动丧失转化能力的程度。我们对均匀分布微观状态数最大进行定量分析。对于按左右相等两部分来说明分子位置分布的情况，微观状态数可以用二项式定理的系数表示。如分子总数为N，则有n个分子处于左半部的微观状态数就等于以下是35个分子的微观状态数：以下是2×106个分子的微观状态数的分布函