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利用絕熱過程中的熵是不變還是增加來判斷過程是可逆還是不可逆的基本原理。利用克勞修斯等式與不等式及熵的定義可知,在任一微小變化過程中恆有熵增加原理,其中不等號適於不可逆過程,等號適於可逆過程。對於絕熱系統,則上式又可表為dS≥0。這表示絕熱系統的熵絕不減少。可逆絕熱過程熵不變,不可逆絕熱過程熵增加,這稱為熵增加原理。

1簡介

【熵增加原理】
孤立系統的熵值永遠是增加的(更精確的說,是永不減少)。
要說明這個原理,首先我們換種方式來說熱力學第二定律:孤立系統的一切自發過程均向著其微觀狀
熵增加原理

  熵增加原理

態更無序的方向發展,如果要使系統回復到原先的有序狀態是不可能的,除非外界對它做功。另外,微觀狀態越混亂,則該系統的熵值越大,反之越小。所以說,孤立系統的熵值是永遠增加的。
熵增加原理:在孤立系統中,一切不可逆過程必然朝著熵的不斷增加的方向進行,這就是熵增加原理(principleof entropy increase)。
熵增加原理是熱力學第二定律的又一種表述,它比開爾文、克勞修斯表述更為概括地指出了不可逆過程的進行方向;同時,更深刻地指出了熱力學第二定律是大量分子無規則運動所具有的統計規律,因此只適用於大量分子構成的系統,不適用於單個分子或少量分子構成的系統。

2正文

利用絕熱過程中的熵是不變還是增加來判斷過程是可逆還是不可逆的基本原理。利用克勞修斯等式與不等式及熵的定義可知,在任一微小變化過程中恆有,其中不等號適於不可逆過程,等號適於可逆過程。對於絕熱系統,則上式又可表為dS≥0。這表示絕熱系統的熵絕不減少。可逆絕熱過程熵不變,不可逆絕熱過程熵增加,這稱為熵增加原理。利用熵增加原理可對熱力學第二定律理解得更深刻:
⑴不可逆過程中的時間之矢。根據熵增加原理可知:不可逆絕熱過程總是向熵增加的方向變化,可逆絕熱過程總是沿等熵線變化。一個熱孤立系中的熵永不減少,在孤立系內部自發進行的涉及與熱相聯繫的過程必然向熵增加的方向變化。另外,對於一個絕熱的不可逆過程,其按相反次序重複的過程不可能發生,因為這種情況下的熵將變小。「不能按相反次序重複」這一點正說明了:不可逆過程相對於時間坐標軸肯定不對稱。但是經典力學相對於時間的兩個方向是完全對稱的。若以-t代替t,力學方程式不變。也就是說,如果這些方程式允許某一種運動,則也同樣允許正好完全相反的運動。這說明力學過程是可逆的。所以「可逆不可逆」的問題實際上就是相對於時間坐標軸的對稱不對稱的問題。
⑵能量退降。由於任何不可逆過程發生必伴隨「可用能」的浪費(見「可用能」)。對於絕熱不可逆過程,熵的增加ΔS必伴隨有W貶的能量被貶值,或稱能量退降了W貶。(說明:對於非絕熱系統,則系統與媒質合在一起仍是絕熱的,因而能量退降概念同樣適用。)可以證明,對於與溫度為T0的熱源接觸的系統,W貶=T0ΔS。由此可見,熵可以作為能量不可用程度的度量。換言之,一切實際過程中能量的總值雖然不變,但其可資利用的程度總隨不可逆導致的熵的增加而降低,使能量「退化」。被「退化」了的能量的多少與不可逆過程引起的熵的增加成正比。這就是熵的宏觀意義,也是認識第二定律的意義所在。我們在科學和生產實踐中應盡量避免不可逆過程的發生,以減少「可用能」被浪費,提高效率。
⑶最大功原理、最小功。既然只有可逆過程才能使能量絲毫未退化,效率最高,所以在高低溫熱源溫度及所吸熱量給定情況下,只有可逆熱機對外作的功最大,這稱為最大功原理。與此類似,在相同高低溫熱源及吸放熱量相等的情況下,外界對可逆制冷機作的功最小,這樣的功稱為「最小功」。求「最大功」及「最小功」的關鍵是:系統(工作媒質)與外界合在一起的總熵變應為零。

3發展

隨著科技的發展和社會的進步,人們對熵的認識已經遠遠超出了分子運動領域,被廣泛用於任何做無序運動的粒子系統,也用於研究大量出現的無序事件。熵已成為判斷不同種類不可逆過程進行方向的共同標準。熵增加的原理突出了世界的演化性、方向性和不可逆性,深化了人類對自然和社會的認識,使「演化」和「發展」越來越成為新自然觀的主題。
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