標籤:低熵高熵低熵化

熵是不能再被轉化做功的能量的總和的測定單位。低熵:就是低耗能,低污染。反之稱為高熵。

宇宙的能量總和是個常數,總的熵是不斷增加的。   熵的增加就意味著有效能量的減少。那麼污染就是熵的同義詞。它是某一系統中存在的一定單位的無效能量。
比如我們燒掉一塊煤,它的能量雖然並沒有消失,但卻經過轉化隨著二氧化碳和其他氣體一起散發到空間中去了。雖然燃燒過程中能量並沒有消失,但我們卻再也不能把同一塊煤重新燒一次來做同樣的功了。熱力學第二定律解釋了這個現象。它告訴我們每當能量從一種狀態轉化到另一種狀態時,我們會「得到一定的懲罰」。這個懲罰就是我們損失了能在將來用於做某種功的一定能量。這就是所謂的熵。
熵包括高熵和低熵,其中「高熵」對系統是高混亂的或者是無序的狀態,「低熵」對系統是低混亂的或者是有序的狀態。單位質量物質的熵稱為比熵,記為s。
糧食供應影響人類的存續,是最重要的公共事務之一。1918年日本曾發生嚴重的糧食供應危機,有約1000萬日本人參加了搶米和相關的抗議行動,史稱「米騷動」。2008年,由於糧食供應緊張和糧價持續上漲,「米騷動」事件在全球數十個國家發生,全球絕大多數國家的經濟與民生都受到波及。
這場全球糧食危機的深廣程度表明在它背後存在一些結構性原因和結構性走向,本文試圖從熵定律的基本假定出發來做一些探討。
熱力學第一定律認為能量是守恆的,換言之是流轉不息、不會湮滅的。熱力學第二定律(即熵定律)則認為在不受外界影響的孤立系統內,能量只能朝著一個方向轉化,即從可利用到不可利用,從有效到無效,從有秩序到無秩序。熵,就是最後不能再被轉化作功的無效能量的總和的測定單位。熵定律進一步認為,宇宙萬物都是從一定的價值與結構開始,然後不可挽回地走向混亂、荒廢。熵定律還認為,無論在地球上還是宇宙或任何地方建立起任何秩序,都會以周圍環境更大的秩序混亂作為代價。
1981年,美國人傑里米·里夫金和特德·霍華德出版了《熵:一種新的世界觀》一書,把熵定律用於對人與環境關係的觀察和預測,認為在人類居住的地表環境中,熵值的逐漸增長是一個不可逆轉的自然內在現象,特別是隨著人類生產、生活方式的無節制發展,熵值的增長還可能加快,最終將引起地表環境的全面崩潰;儘管這個結局是不以人的意志為轉移的,但人類可以通過自身努力盡量使這種結局向後推遲。
就在農業領域的「綠色革命」讓人們覺得今後糧食供應不再是問題的時候,該書敏感地預言未來人類將遭受糧食危機,其立論基礎是:現代農業是大量消耗礦物能源的「高熵農業」,缺乏可持續性。書中舉例說:在傳統農業時代一個農民以1卡能量的體力支出,可產出10卡能量。現在美國一個農民以1卡能量的體力支出,可產出6000卡能量。但若把整個過程中其它能量的加入算進去,這種表面上的高效率不過是宏偉的假象而已。僅是為生產一個270卡的玉米罐頭,就需消耗2790卡能量,其中大部分能量消耗在農業機械的使用上以及化肥和殺蟲劑方面。總的來看,一個現代美國農民用掉10卡,方可產出1卡能量,效率其實很低。
這種生產方式密集地使用以石油等能源為動力的農業機械,和以石油等礦物為原料的化肥、農藥、塑料,因此也被稱為「石油農業」。目前中國農業同樣在向「石油農業」或「高熵農業」轉變,它的好處是可以生產出大量糧食,缺陷則是依賴和大量消耗能源、礦物,使農業成為石油消耗大戶,同時對地表環境造成嚴重破壞。
現代農業所建立的精密的生產秩序,是以地表環境中更大的秩序混亂為代價的。農業產量的有限增長與整個地表環境中巨大的能量耗散不成比例,並且,許多四處散逸的處於無效狀態的能量對土壤與河湖水系造成了嚴重污染。大量使用化肥造成了土壤結構失序、退化,大量使用農藥在害蟲具有抗藥性之後只能使用更多、更具有生物殺傷性的農藥,惡性循環有增無減。農業的高能耗使得農產品成本越來越高,而原先「高能量投入必然帶來高糧食產量」這個如意算盤也因為土壤秩序受到破壞而逐漸失效。就世界範圍而言,由於農業越來越依賴石油等非再生資源,糧食危機將難以避免。因此,出版於1981年的《熵:一種新的世界觀》預言說:「1979年夏,沮喪、憤怒的人們為購買汽油排起了長龍,然而這還不過是熱身賽而已。在未來的年代里,他們將在食品雜貨店前排起長龍。」對於中國來說,如果高熵農業的趨勢得不到緩解,成本增長和土壤退化必將使廉價糧食時代不復存在。
其實,不僅是農業生產處在熵值越來越高的狀態,巨型城市和城市中的摩天大樓,也同樣造成了能量的過度投入與四處耗散。另外我們還看到,現代戰爭中阿帕奇攻擊直升機在天上消耗大量石油,卻只是為了殺人。超市食品的過度包裝,也是在大量消耗地球能量。塑料、金屬如果沒有被回收利用而是被掩埋到環境中,都將產生熵或能量的廢棄。從而,「低熵農業」、「低熵工業」、「低熵生活」、「低熵社會」等等已經成為人類為維繫自身生存所必須做的事情,這樣做也是為了給子孫後代留下足夠的生存資源。方舟子先生曾對《熵:一種新的世界觀》提出過質疑,他認為熵定律只適用於孤立、封閉系統,但地球並不是一個孤立、封閉系統,而是一個開放系統,可以從外界(太陽)吸取大量能量,使無效的能量重新變成可用的能量。按方先生的說法,我們以及我們的子孫後代不必擔心地球表層有效能量的減少和堆滿了大量的熵,太陽可以為地球解困。
方先生的這一見解有其科學上的準確性,地球表層確實不是一個孤立、封閉系統,熵定律關於地球表層能量的立論確實過於絕對。但這並不妨礙熵定律可以相對地發揮其理論解釋功能。儘管有太陽能的恆定輸入,但從人類大量使用不可再生能源和地球礦產物質的情況來看,他們的能源環境是相對封閉的,物質環境則是基本封閉的;太陽能量的輸入固然能為地球上被搞亂了和耗散了的能量重建秩序,從而讓它們可以重新被人類所利用,但那將需要一個地質年代上的時間長度。方先生或許忘了人類生存環境在時間上也具有相對封閉性,太陽重建地球表層能量秩序所需時間以億萬年計,遠遠趕不上人類生存環境中熵值的增長速度,指望太陽來使地表無效能量變成有效能量,越來越能製造熵並面臨環境秩序崩潰的人類恐怕是等不及的。同時我們也可以來看看前述書籍的書名:《熵:一種新的世界觀》。儘管熵定律在科學上存在爭議並且不能完全準確地對應地表環境,但在人類的生活哲學、生活觀念上,熵定律可以是一個必要的假設(即人類生存所需的能量將越來越少,被耗散的能量對地表的污染將越來越大)。這就像宗教關於神的論述無法從科學上得到證明,但神可以作為人類精神生活中的一個必要的假設。從格調悲觀的熵定律出發,可以對人類目前主流的生產、生活方式提出警告。更何況在人類社會的一定時間內而非地質時間內,耗散了的能量確實難以重建,人類目前所面臨的資源短缺困境也是一個不爭的事實。因此,基於人類生存環境在時間和空間上的相對封閉性,基於人類越來越強的造熵能力,熵定律的悲觀預警具有一定的說服力、思想價值和現實必要性。
我本人並不相信歷史觀念中絕對的進步論(如生產力決定生產關係,隨著生產力水平的不斷提高,未來社會一定會更加美好)和絕對的退化論(如熵定律對人類生存環境遠景的預測,不過它可以作為一個「必要的假設」),我相信的是,人類的命運無論是好是壞,都取決於他們對自身、對他者、對環境的態度。「萬物並作,吾以觀復」,人類在高揚其主體性的同時,也要看到其自身在自然環境中的相對性,自然環境是人類的母親、人類的本源,人類在建立自身生活、生產秩序的同時,也要尊重自然環境的本來秩序。
里夫金    霍華德
[節選自《熵:一種新的世界觀, (上海譯文出版社1987年版) 。呂明、袁舟譯。作者里夫金和霍華德是美國當代著名社會學家。 ]
一位名叫麥克斯·格拉克曼[1] 的人類學家曾經說:「科學是一門學問,它能使這一代的傻瓜超越上一代的天才。」熱力學第一定律與第二定律早已編入物理學基礎教程,它們所表達的內容現在看來不過是簡單明了的常識而已。然而將它們最終明白無誤地表達出來,卻經過了一段曲折的路程;許多天才為之嘔心瀝血,提出過大量複雜的理論。奇怪的是,雖然科學家們多少年來為這兩個定律的真正涵義絞盡腦汁,地球上各民族文化的民諺卻早已悟出其中三昧[2]。我們都聽說過這些說法:「你不可能不勞而獲」,「覆水難收」或者「天網恢恢,疏而不漏」。如果這些諺語對你說來不算陌生,而且在日常生活中你也反覆有過這樣的親身體驗的話,那麼,你就懂得了熱力學第一定律和第二定律。
熱力學概念乍聽起來有些深不可測,其實它們是我們所知道的最簡單而又給人印象最深的科學概念。熱力學的兩個定律可以用一句簡短的句子來表達:宇宙的能量總和是個常數,總的熵是不斷增加的。
這也就是說我們既不能創造,也不能消滅能量。宇宙中的能量總和一開始便是固定的,而且永遠不會改變。熱力學第一定律就是能量守恆定律,它告訴我們能量雖然既不能被創造又不能被消滅,但它可以從一種形式轉化為另一種形式。
我們應該牢記的最重要的一點,就是我們不能創造能量。從來就沒人創造過能量,也永遠不會有人能創造。我們力所能及的只是把能量從一種狀態轉化成另一種狀態。要理解這一點不甚容易,特別是考慮到一切都是由能量所生成的。世間萬物的形態、結構和運動都不過是能量的不同聚集與轉化形式的具體表現而已。一個人、一幢摩天大樓、一輛汽車或一棵青草,都體現了從一種形式轉化成為另一種形式的能量。高樓拔地而起,青草的生成,都耗費了在其他地方聚集起來的能量。高樓夷為平地,青草也不復生長,但它們原來所包含的能量並沒有消失,而只是被轉移到同一環境的其他所在去了。我們都聽說過這麼一句話:太陽底下沒有新鮮東西[3]。要證實這一點你只需呼吸一下。你剛才吸進了曾經讓柏拉圖[4]吸進過的5 000萬個分子。
如果我們需要考慮的僅僅是熱力學第一定律,那我們濫用那萬世不竭的能源也沒有什麼奧妙了。然而我們知道世界並非如此。比如我們燒掉一塊煤,它的能量雖然並沒有消失,但卻經過轉化隨著二氧化碳和其他氣體一起散發到空間中去了。雖然燃燒過程中能量並沒有消失,但我們卻再也不能把同一塊煤重新燒一次來做同樣的功了。熱力學第二定律解釋了這個現象。它告訴我們每當能量從一種狀態轉化到另一種狀態時,我們會「得到一定的懲罰」。這個懲罰就是我們損失了能在將來用於做某種功的一定能量。這就是所謂的熵。
熵是不能再被轉化做功的能量的總和的測定單位。這個名稱是由德國物理學家魯道爾夫·克勞修斯[5]於1868年第一次造出來的。但是年輕的法國軍官沙迪·迦諾[6]卻比克勞修斯早41年發現了熵的原理。迦諾在研究蒸汽機工作原理時發現,蒸汽機之所以能做功,是因為蒸汽機系統里的一部分很冷,而另一部分卻很熱。換一句話說,要把能量轉化為功,一個系統的不同部分之間就必須有能量集中程度的差異(即溫差)。當能量從一個較高的集中程度轉化到一個較低的集中程度(或由較高溫度變為較低溫度) 時,它就做了功。更重要的是每一次能量從一個水平轉化到另一個水平,都意味著下一次能再做功的能量就減少了。比如河水越過水壩流入湖泊。當河水下落時,它可被用來發電,驅動水輪,或做其他形式的功。然而水一旦落到壩底,就處於不能再做功的狀態了。在水平面上沒有任何勢能的水是連最小的輪子也帶不動的。這兩種不同的能量狀態分別被稱為「有效的」或「自由的」能量,和「無效的」或「封閉的」能量。
熵的增加就意味著有效能量的減少。每當自然界發生任何事情,一定的能量就被轉化成了不能再做功的無效能量。被轉化成了無效狀態的能量構成了我們所說的污染。許多人以為污染是生產的副產品,但實際上它只是世界上轉化成無效能量的全部有效能量的總和。耗散了的能量就是污染。既然根據熱力學第一定律,能量既不能被產生又不能被消滅,而根據熱力學第二定律,能量只能沿著一個方向——即耗散的方向——轉化,那麼污染就是熵的同義詞。它是某一系統中存在的一定單位的無效能量。
[1]      麥克斯·格拉克曼(1911—1975)〕南非文化人類學家,以研究非洲諸部落的政治制度著稱。
[2]      〔三昧〕梵文Samadhi的音譯,指使心神平靜、雜念止息的修行方法。后借指事物的要訣。
[3]      〔太陽底下沒有新鮮東西〕這是《舊約·傳道書》中的話,一般譯作「日光之下,並無新事」。
[4]      〔柏拉圖(前427—前347)〕古希臘著名的唯心主義哲學家。認為理念是世界的本原,是古希臘哲學家中第一個留下大量著述的人,對後世影響很大。
[5]      〔魯道爾夫·克勞修斯(1822—1888)〕德國物理學家,熱力學的奠基人之一。
[6]      〔沙迪·迦諾(1796—1832)〕一般譯作「卡諾」,法國物理學家、工程師,在研究熱機效率的過程中,提出了「卡諾循環」定理。
什麼是熵?
是生命科學的藉助概念,藉助的是熱力學第二定律來解釋生命現象不懂得熵的人,就是人體科學的門外漢。不可逆過程遵從一個很重要的極值原理,它是由開耳芬爵士發現的。這個原理說,這個叫熵的量將隨過程而增加,並且在最後的平衡狀態達到最大值。神秘的熵,很難用可以直接觀測的量,例如:體積、壓強、溫度、濃度、熱量等等來描述。但是從原子論的觀點看,熵的意義就很直接明了。準備一小瓶紅色的溶液,放在大瓶的純水中,起初,紅色染液的分子集中在一個有限的體積內,後來向外散開到更大的體積里去。一個有序度較高的狀態,被一個有序度較低的狀態所取代了。這是一個統計規律,是自然狀態,是中庸,是無為無不為,是自然界自古至今發展的模式,達到最大值。人體也是如此,它總是在自然狀態下處於熵的最大狀態,生命的最佳狀態人為任何措施都會破壞這個狀態,而在自然中遭到滅頂之災。有誰能把散開了的紅色液體再一個一個地收集起來?那就是消耗能量,對於生命來說,就是消耗生命的能量,這就是醫學所能做的,現在正在做的。比如:打點滴,把涼水注入病人的血管子,人的血液類似上面例子里的「紅色的溶液,放在大瓶的純水中,起初,紅色染液的分子集中在一個有限的體積內,後來向外散開到更大的體積里去。一個有序度較高的狀態,被一個有序度較低的狀態所取代了。」
什麼是熵?慢慢看下去吧~~
熵與溫度、壓力、焓等一樣,也是反映物質內部狀態的一個物理量。它不能直接用儀錶測量,只能推算出來,所以比較抽象。在作理論分析時,有時用熵的概念比較方便。
在自然界發生的許多過程中,有的過程朝一個方向可以自發地進行,而反之則不行。例如,一個容器的兩邊裝有溫度、壓力相同的兩種氣體,在將中間的隔板抽開后,兩種氣體會自發地均勻混合,但是,要將它們分離則必須消耗功。混合前後雖然溫度、壓力不變,但是兩種狀態是不同的,單用溫度與壓力不能說明它的狀態。再如兩個溫度不同的物體相互接觸時,高溫物體會自發地將熱傳給低溫物體,最後兩個物體溫度達到相等。但是,相反的過程不會自發地發生。上述現象說明,自然界發生的一些過程是有一定的方向性的,這種過程叫不可逆過程。過程前後的兩個狀態是不等價的。用什麼物理量來度量這種不等價性呢?通過研究,找到了「熵」這個物理量。
有些過程在理想情況下有可能是可逆的,例如氣缸中氣體膨脹時舉起一個重物做了功,當重物下落時有可能將氣體又壓縮到原先的狀態。根據熵的定義,熵在一個可逆絕熱過程的前後是不變的。而對於不可逆的絕熱過程,則過程朝熵增大的方向進行。或者說,熵這個物理量可以表示過程的方向性,自然界自發進行的過程總是朝著總熵增加的方向進行,理想的可逆過程總熵保持不變。對上述的兩個不可逆過程,它們的終態的熵值必大於初態的熵值。
在制氧機中常遇到的節流閥的節流膨脹過程和膨脹機的膨脹過程均可近似地看成是絕熱過程。二者膨脹后壓力均降低。但是,前者是不可逆的絕熱膨脹,膨脹前後熵值肯定增大。後者在理想情況下膨脹對外作出的功可以等於壓縮消耗的功,是可逆絕熱膨脹過程,膨脹前後熵值不變,叫等熵膨脹。實際的膨脹機膨脹會有損失,也是不可逆過程,熵也增大。但是,它的不可逆程度比節流過程小,增加的熵值也小。因此,熵的增加值反映了這個絕熱過程不可逆程度的大小。在作理論分析計算時,引入熵這個狀態參數很為方便。
熵的單位為J/(mol·K)或kJ/(kmol·K)。但是,通常關心的不是熵的數值,而是熵的變化趨勢。對實際的絕熱膨脹過程,熵必然增加。熵增加的幅度越小,說明損失越小,效率越高。
熵:一種新的世界觀
「熵定律是自然界一切定律中的最高定律」, 這是熵概念泛化后給熵理論最褒意的評價。該書還認為熵理論不僅在自然科學方面,如:物理學、化學、地學、 醫學、農學、工程技術、宇航、超導、激光、新能源探索中有所應用, 還運用到社會科學方面如:歷史、文藝、哲學、教育、經濟以至神學里, 它將揭示自然科學與社會科學本質的某種內在聯繫。 熵被許多學者認為是自然科學與社會科學的交叉點,由於熵概念的泛化, 產生了許多爭論的問題,如:⑴ 什麼是熵? ⑵ 負熵成序嗎? ⑶信息熵在社會學和心理學上的應用為什麼令人失望? ⑷ 熱力學中的熵變的不對稱性(只承認熵增,不相信熵減)和泛化后的非熱力學系統的熵變較為對稱(熵增和熵減皆存在)的矛盾。上面的兩個和本段的四個問題說明,熵理論是存在問題的, 是需要發展和完善的。
1、從熱力學方面看
筆者認為熱力學第二定律和耗散結構理論僅是自然界的局部規律,且用數學語言表達的程度不夠到位(表現出過多的語言敘述),因此,造成熱力學難教、難學,需反覆認識。又由於人類對浩瀚的宇宙觀察研究受到局限,使人們對認識熵減遲遲下不了結論。
2、從整個群體系統看
熵理論是研究群體行為規律的理論,隨著熵概念的泛化, 表現出驚人的誘惑力被應用到許多領域, 然而用熱溫熵和信息熵概念並不能解決象社會、心理等領域的問題,這就產生了許多問題。 我們知道任何一種理論都有其一定的適用範圍,不加限制地推廣是錯誤的,如何解決這個問題呢? 筆者認為概念籠統含混是熵理論存在許多問題的主要障礙, 用含混的概念研究極其龐大的領域是不現實的,按照過去的經驗,在研究複雜問題時, 概念細分是必要而又有效的方法。
我們要象研究光一樣,先對它分色,再按不同頻譜分析其特點;又象我們研究人的特點,把人分為男人和女人、大人和小孩等。 如果我們把熵概念分解,使它適應各種群體的特點, 那就不至於仍在爭論什麼是熵這個最起碼問題;如果把熱力學序和非熱力學序定義清楚, 也就不會爭論熵與序的關係。搞清了熵變與哪些因素有關?定量關係如何?也就能弄清熵增、熵減的變化方向及程度。為了解決這些問題, 筆者認為已經到了構築熵理論的總體框架的時候了。為此, 筆者建議用「熵變論」作為這塊理論的名稱。
三、「熵變論」的提出
1、「熵變論」的內容和用途
熵變論把一切熵變過程表述為:系統內的熵總有對立的兩類,其總熵變等於各單元熵變的累集之和,其值屬於實數,可分為大於零、等於零、小於零三種情形; 在無限的時空中,總熵變趨於零。
熵變論的字面意思是熵變化的理論,即研究複雜系統狀態變化的學科,具體地說熵變論是概括群體行為的熵增、熵減和熵不變規律的。 熵變論的用途是建立更完善的熱學理論,完成熵增和熵減的統一,推出正確的宇宙觀,給出解決能源的新思路, 以及弄清信息和各類非熱力學群體的變化規律。
2、熵概念的分類及定義
什麼叫熵?有人認為這個概念還不清楚,筆者認為從克勞修斯、 波耳茲曼到申農對熵的定義是正確的, 所謂不清楚是因為這些定義並不都能表示所有群體的狀態,為了解決這個問題,結合熵概念泛化的傾向, 筆者建議將熵分成熱力學熵(S)和非熱力學熵(S′)兩大類。例如:                 ┏溫度熵
┏ 熱力學熵------         |體積熵
|         |化學熵
|         ┗構型熵
熵━         |         ┏信息熵
|         |社會熵
|         |心理熵
┗非熱力學熵)---         |人體熵
|政治熵
┗經濟熵
非熱力學熵大多與人有關, 筆者建議用立人旁加商表示非熱力學熵,符號為S′(作者本意是在S上加一橫,但打不出來)。
熵是什麼?筆者籠統地把熵定義為:描述群體系統狀態複雜程度的物理量,熱力學熵已由前人給出,而非熱力學熵將有各自的模型, 這要作具體的定義(作者目前無法給出)。
3、熱力學熵的熵變公式
⑴ 克勞修斯提出的孤立系統熵增原理公式為:
dS>0(不可逆過程), 3-1
⑵ 普里高津提出的開放系統熵變公式為:
dS=diS+deS ,3-2
當deS=0時,diS>0,dS>0
當deS<0,且|deS|>diS時,dS<0
⑶ 筆者提出的適用於各種熱力學系統的熵變定律為:
系統內的總熵變等於內部熵變與熵流之和,其值屬於實數,可分為大於零(熵增)、等於零(熵不變)、小於零(熵減) 三種情形。
公式為:dS=diS+deS∈R, 3-3
其中diS=dSV(T)+dST(V)
3-3式可分為如下三種情形:
dS=diS+deS>0 ,3-4
dS=diS+deS=0, 3-5
dS=diS+de〈0 ,3-6
上式中dS為系統內的總熵變,dSV(T)溫度熵變,dST(V)體積熵變,deS熵流。熵流與熱能流、物質流方向是一致的, 流進系統為正,流出系統為負。系統內部的熵diS(過去稱熵產生)分解為溫度熵變和體積熵變。
公式3-3在公式3-1和3-2的基礎上有所發展,對它進行分析可出現13種組合關係,這些關係可反映自然界熵增、熵減、熵不變的全部規律(另文介紹)。目前,熵增和相對熵減的現象在我們的身邊都能找到, 而尋找和認識絕對熵減有一定困難,其原因是天體的演變對應的時空不便觀察。其實引力具有減熵的能力, 引力可以抗衡全體星空的熵長, 所以說我們不能坐井觀天、崇尚熱寂、無視宇宙是充滿生機和活力的客觀現實。
4、非熱力學熵的熵變規律
筆者通過對非熱力學系統許多現象的歸納總結(以及按3-3式外推),提出的熵變規律為:在同一層次上,系統內的正熵和負熵具有共軛性(既共存又相反的性質),總熵變等於正熵、負熵的累加之和(正熵取正值, 負熵取負值),其結果屬於實數,可分為大於零、等於零、小於零三種情形;對於理想情形,總熵變等於零。表達式如下:
△S′=∑ni=1△S′(+)(△Xi)+∑ni=1△S′(-)(△Xi)∈R, 4-1
當系統無限大,時間無限長時:
△S=∑ni=1△S′(+)(△Xi)+∑ni=1△S′(-)(△Xi)=0
4-1式中,△S′指系統內的總熵變,等式右邊第一項是正熵變的累和,第二項是負熵變的累和。末狀態
S′2=S′2(+)+S′2(-),初狀態S′1=S′1(+)+S′1(-),如果僅研究兩個狀態的熵變,4-1式可以簡寫為:△S′=S′2-S′1=[S′2(+)+S′2(-)]-[ S′1(+)+S′1(-)]=[S′2(+)- S′1(+)]+[S′2(-)-S′1(-)]=△S′(+)-△ S′(-),該式展開如下:
┍ 熵增:         △S′(+)>△ S′(-), △ S′>0 ,4-2
|         [S′2(+)- S′1(+)>S′2(-)-S′1(-)]
熵變規律------         |熵減:         △S′(+)<△ S′(-),△ S′<0,4-3
[S′2(+)- S′1(+)<S′2(-)-S′1(-)]
|           △S′(+)=△ S′(-),△S′=0,4-4
└熵不變:           [S′2(+)- S′1(+)=S′2(-)-S′1(-)]
在熵變規律公式中,△S′是非熱力學熵系統過程的變化量,以社會系統或人體為例,△S′變大(△S′〉0),指社會系統的混亂度增加,或人體的健康程度下降;△S′變小(△S′〈0)指社會系統的混亂度減小,或人體素質趨於健康。 S′(-)是負熵(取負號),指有利於系統發展的要素的熵值, 社會負熵的要素如:經濟增長率、人均收入增長率、民主程度、破案率等; 影響人體健康的外部因素的負熵要素如:充足的營養、鍛煉身體程度、良好的生活條件、健康的心理素質等。S′ (+)是正熵(取正號), 指不利於系統發展的要素的熵值,社會正熵要素如:犯罪率、離婚率、官員不廉潔度、 自然災害損失率等;影響人體健康的外部因素的正熵要素如:營養不良,環境污染、 居住擁擠、氣候炎熱等。正熵變減去負熵變即為總熵變值, 總熵變值反映了某一時候社會的混亂度或人的健康狀態,用它可以比較如今年和去年、 這個五年和上個五年的差別,這個差值從總體上反映了系統的變化方向和程度。
四、對幾個問題的看法
1、 熵與序的關係
負熵成序是在薛定諤的有關著作中介紹的觀點, 熵與序是有關係的,但簡單地說負熵成序是不妥的,關於熱力學中的序, 以及生物體生長進化的序,甚至於社會秩序的序, 筆者認為這幾種序不是一回事,筆者建議把序分為熱力學序和非熱力學序兩大類, 只有把各體系的序定義清楚后,並結合突變規律,熵和序的關係就會迎刃而解。筆者建議,在未解決該問題之前,盡量不把熵和序扯到一起。
2、 熵流的載體是什麼?
普里高津把系統與外界交換的能量、物質叫熵流, 筆者認為這種說法比較含混,不錯,物質流必然引起相應的熵流,物質流是熵流的載體。 但能量流就不一定引起相應的熵流,因為能量有多種形式,可分為熱能與非熱能[機械能、電能、光能(不是熱輻射)],如某絕熱系統與外界交換非熱能(發生可逆變化),其體系熵變為零,所以說在能量流中只有熱能流( 含熱輻射)是熵流的載體。
3、如何研究象社會、心理、生物等領域的熵變問題
對於象社會、心理、生物等領域,屬「混合型」系統, 不是單純的物質、能量或信息問題,筆者認為研究這些領域有兩種方法,一是概念剝離,然後用相應的熵公式進行研究分析,二是對於無法剝離的領域, 先對研究對象的多項參數進行統計,然後擰成一個綜合指數,再進行分析。
4、熵變公式是對立統一規律的定量表述
熵變論中非熱力學熵的熵變公式[△S′=S′ (+)+S′ (-)],體現了事件的變化結果等於兩個既對立又有聯繫的兩項熵變之和, 這種定量關係體現了中國古代的陰陽學說及哲學中的對立統一規律。 愛因斯坦說過:「熵理論對於整個科學來說是第一法則,」對立統一規律被公認為是自然界、社會和思維的根本規律,這兩種說法不謀而合, 可以說在群體領域熵變規律是對立統一規律的定量表述。熵變是人類最難認識的規律之一, 是名符其實的覆蓋一切群體領域的最高定律。
5、對能源問題的看法
根據熵增原理可知,每當我們燃燒一堆煤、一滴油或原子核裂變時,都在增加宇宙的熵,即每次活動都降低了體系能量的品質,從現實情況看也如此,如果我們用盡礦物能源又無其它新能源時,人類不就坐守待斃嗎?答案是否定的!引力可以實現熵減,如地球引力能使太陽的熱輻射能「聚集」在地下,地熱是人類取之不盡的能源,我們可以通過地下熱水利用、溫差發電等形式解決能源問題。
6、宇宙中的總熵變應趨於零
我們現在所處環境從小尺度空間看會自發地熵增,在這種環境中將伴隨著能量的退化,那麼,整個宇宙是不是都遵循這樣的法則呢?答案是否定的!
大量事實說明, 宇宙的發展趨勢並不越來越無序,相反,整個宇宙生機勃勃,絲毫沒有「死寂」的跡象,即:既沒有出現全宇宙的熱寂,也不存在如銀河系或太陽系的熱寂;再從太陽系看,太陽45億年的熱輻射,並未使地球和其它七大行星熱不可耐,相反太陽系內的空間依然很冷。這些事實充分說明宇宙中一定存在進入低熵的機制,而且這種機制不是發生在特定的空間或時間,作者研究認為,引力具有減熵的能力,引力是可以抗衡熵長的。在小尺度空間或水平方向上,每時每刻都在發生著能量的退化,服從熱力學第二定律。而引力充當了相反的角色,在大尺度空間或重力方向上,時刻發生著能量的進化,使得宇宙既不熱寂且熵變也均衡。所以說:從廣袤的宇宙空間看,宇宙中的熵增(熱寂)和熵減 (熱生)的生死交替在總體上應是平衡的,即宇宙中的總熵變應趨於零。 人類對自然的認識,唯獨宇宙問題具有特殊性, 因為憑人類的能力或許永遠也無法考察和驗證全部宇宙的熵變,我們只能依據部分事實和推理來認可它。
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