摘 要 介绍了热力学三个定律和非平衡态热力学的发展过程及其
热力学发展简史

热力学发展简史热力学是研究能量转化和传递的科学,它涉及到热量、温度和能量等概念。
本文将为您介绍热力学的发展历程,从其起源到现代热力学的重要里程碑。
以下是详细的内容:1. 热力学的起源热力学的起源可以追溯到18世纪末和19世纪初,当时科学家开始研究热量和能量的转化。
其中,卡诺是热力学的奠基人之一,他提出了卡诺循环理论,阐述了热能转化的基本原理。
同时,热力学的概念也逐渐形成,人们开始意识到热量和能量之间的关系。
2. 热力学第一定律热力学第一定律是热力学的基本原理之一,它阐述了能量守恒的概念。
根据第一定律,能量可以从一种形式转化为另一种形式,但总能量守恒。
这个定律由热力学家朱尔·末耶在19世纪初提出,并被广泛接受。
3. 热力学第二定律热力学第二定律是热力学的另一个重要原理,它描述了热量的自发流动方向。
根据第二定律,热量只能从高温物体流向低温物体,而不能反过来。
这个定律由卡诺和开尔文等科学家在19世纪中期提出,并对热力学的发展产生了重要影响。
4. 熵的概念引入熵是热力学中一个重要的概念,它描述了系统的无序程度。
熵的概念最早由克劳修斯在19世纪中期引入,他认为熵是衡量系统混乱程度的物理量。
熵的引入丰富了热力学的理论体系,并对热力学的发展产生了深远影响。
5. 统计热力学的兴起统计热力学是热力学的一个重要分支,它通过统计方法研究系统的微观状态和宏观性质之间的关系。
统计热力学的发展可以追溯到19世纪末和20世纪初,当时玻尔兹曼提出了分子运动论,并将其应用于热力学的研究中。
统计热力学的兴起为热力学的理论建立提供了新的思路和方法。
6. 热力学的应用热力学不仅仅是一门理论学科,它也有着广泛的应用。
热力学在工程、化学、物理等领域中都有重要的应用。
例如,在能源领域,热力学被用于研究和优化能源转化过程;在化学反应中,热力学可以帮助预测反应的方向和速率。
热力学的应用使得我们能够更好地理解和利用能量转化和传递的规律。
三大热力学定律的内容

三大热力学定律的内容热力学是研究能量转化与传递规律的学科,是物理学的重要分支之一。
热力学定律是热力学研究的基础,它们揭示了能量守恒和热能传递的规律。
下面将逐一介绍三大热力学定律的内容。
第一定律:能量守恒定律能量守恒定律是热力学中最基本的定律之一,也是自然界中普遍存在的基本规律。
能量守恒定律表明,在任何一个封闭系统中,能量的总量是恒定不变的。
换句话说,能量既不能从不存在的地方产生,也不能消失到不存在的地方去。
能量守恒定律可以用以下方式表达:在一个封闭系统中,能量的增加等于系统所吸收的热量与做功之和。
这个定律告诉我们,能量可以从一种形式转化为另一种形式,但总能量保持不变。
第二定律:热力学第二定律热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一,它揭示了热能传递的方向性和不可逆性。
热力学第二定律可以从两个方面来理解:热力学不可逆性原理和熵增原理。
热力学不可逆性原理指出,自然界中存在着一种不可逆的现象,即热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。
这意味着热量只能自高温物体传递到低温物体,而不能反过来。
熵增原理是热力学第二定律的另一个表述。
熵是描述系统无序程度的物理量,熵增原理指出,在一个孤立系统中,熵总是趋向于增加,而不会减少。
这意味着自然界中的过程是趋向于无序的,而不是有序的。
例如,热量从高温物体传递到低温物体时,熵会增加,系统的无序程度也会增加。
第三定律:绝对零度定律绝对零度定律是热力学中的第三大定律,它规定了温度的下限。
根据绝对零度定律,当一个物体的温度降到绝对零度时,也就是零开尔文(-273.15摄氏度),物体的分子热运动将停止。
绝对零度定律的提出是由于研究物体的热容性质时发现,随着温度的降低,物体的热容趋向于零。
这表明,在绝对零度附近,物质的分子热运动几乎完全停止,物体的热容也趋近于零。
绝对零度定律在热力学中具有重要的应用价值。
例如,在研究低温物理学和超导材料时,绝对零度定律被广泛应用。
总结热力学定律是研究能量转化和热能传递规律的基础,它们分别是能量守恒定律、热力学第二定律和绝对零度定律。
热力学发展简史

热力学发展简史热力学是研究能量转化和能量传递的物理学科,它起源于18世纪末的工业革命时期。
热力学的发展历程可以追溯到当时对于蒸汽机的研究和应用。
本文将为您详细介绍热力学的发展历史,从早期的热力学原理到现代热力学的应用。
1. 早期热力学原理的奠基者热力学的奠基者可以追溯到18世纪末的工业革命时期。
其中,卡诺是热力学的重要奠基者之一。
他提出了卡诺循环的概念,这是一种理论上最高效的热机循环。
卡诺的研究为热力学的发展奠定了基础。
2. 热力学第一定律的提出19世纪初,热力学的第一定律被提出。
这一定律表明能量是守恒的,即能量既不能被创造也不能被泯灭,只能从一种形式转化为另一种形式。
这一定律的提出对于热力学的进一步发展起到了重要的推动作用。
3. 热力学第二定律的建立19世纪中叶,热力学的第二定律被建立。
这一定律表明热量不能自发地从低温物体传递到高温物体,即热量只能自高温物体传递到低温物体。
这一定律的建立对于热力学的发展产生了重要的影响。
4. 熵的概念的引入19世纪末,熵的概念被引入热力学。
熵是描述系统无序程度的物理量,它与能量的转化和传递密切相关。
熵的引入使得热力学的理论更加完善,为热力学的应用提供了更多的工具和方法。
5. 热力学在工程和科学领域的应用20世纪初,热力学开始在工程和科学领域得到广泛的应用。
在工程领域,热力学被应用于蒸汽机、内燃机等能量转换装置的设计和优化。
在科学领域,热力学被应用于化学反应、相变等过程的研究。
热力学的应用为工程和科学的发展做出了重要贡献。
6. 热力学的现代发展随着科学技术的发展,热力学在现代得到了进一步的发展。
热力学的理论被拓展到非平衡态系统、微观尺度的系统等领域。
同时,热力学的应用也涉及到了更广泛的领域,如环境保护、能源转换等。
热力学的现代发展为解决现实问题提供了重要的理论基础。
总结:热力学的发展可以追溯到18世纪末的工业革命时期,其中卡诺是热力学的重要奠基者之一。
随着热力学第一定律和第二定律的提出,热力学的理论逐渐完善。
热力学的三大定律

热力学的三大定律是热力学基本原理中的三个基本定理,它们对热力学的研究有着重要的意义。
三大定律的内涵深刻,各自有着不同的物理意义和应用场景。
下面,我们将逐一介绍这三个定律。
第一定律:能量守恒定律热力学第一定律(能量守恒定律)是热力学的最基本原理之一,它表明了能量不能被创造也不能消失,只能由一种形式转变为另一种形式。
也就是说,在任何物理过程中,系统中的能量的总量是守恒的。
如果能量从一个物理系统流出,那么就必须有等量的能量流入另一个物理系统,而不是在宇宙中消失。
这个定律还表明,能量的转移可以通过两种途径:热量传递和工作转移。
热量传递是指发生温度差时,系统中的热量会从高温区域流向低温区域的过程。
工作转移是指机械能可以被转化成其他形式的能量,例如电能、化学能或热能。
第二定律:热力学第二定律热力学第二定律是热力学基本原理中的一个非常重要的基本定理,它规定了自然界的不可逆过程。
热力学第二定律有多种表述,其中一种比较普遍的表述是符合柯尔莫哥洛夫-克拉芙特原理,即热力学第二定律表明了所有自然过程都是非平衡的,在任何自然过程中,总是存在一些能量转化的损失。
这个定律很大程度上影响了热力学的发展。
它是关于热力学过程不可逆性的集中表述。
热力学第二定律规定,热量只能从高温区域流向低温区域,自然过程总是向熵增加方向进行。
其意义在于说明热机的效率是受限的,这是由于机械能被转化成其他形式能量的过程存在热量和能量损失。
第三定律:热力学第三定律热力学第三定律是一个非常深刻的定律,它是热力学中的一个核心原理。
这个定律规定了绝对零度状态是不可能达到的。
绝对零度是指元素或化合物的热力学温度为零时,其原子或分子的平均热运动变为最小值的状态。
热力学第三定律是由瓦尔特·纳图斯于1906年提出的。
热力学第三定律的一个重要应用是在处理理想晶体的热力学问题时,可以将温度下限设为零开尔文(绝对零度)。
这个定律也为固体物理学的研究提供了基础理论。
热力学三大定律的发展过程

热力学第一定律热力学第一定律,也就是能量守恒定律,是一切自然科学最重要的守恒律之一。
应该说,它的建立,是经典自然科学历史中最重要的发现。
我在这里介绍的,是1909年喀喇氏指出的热力学第一定律的一种更加符合逻辑的建立方式。
首先引入准静态过程,这是热物理学中极为重要的概念,它将系统的持续连续变化描述为间隔状态的连续,这应该是微分思想的一种应用吧。
准静态过程的一个重要性质是:当不考虑摩擦力作用时,系统所经历的过程可以用状态参量描述。
我们大学所进行的一切热力学计算几乎都是建立在这一性质基础之上的。
现在要思考能量传递的三种方式:1.功 2.热辐射 3.热传递。
这里,我们尚不知道热量为何物,在逻辑上,热量的概念暂时是不可能提出的,可以提到的是功。
至于热辐射,超出简单系统的范围,且对热力学第一定律的建立没有影响,不做考虑。
功,既是热物理的概念,也是力学的概念,其意义在于将几何参量的变化与力学参量的变化结合起来。
数学表达式为变化功=压强×变化体积将其推广得到广义力和广义体积,不再解释。
让我们看看Joule(焦耳)的两个实验,他试图找出功与系统的一个微妙关系:A.在一密闭隔热水箱的水中置一水轮,连线到水箱外的砝码,砝码自由下落带动水轮转动,测量砝码下落距离与水的温度变化;B.在一密闭隔热水箱的水中置一金属棒,两端接水箱外一电源,测量水温变化与电池作用时间及其功率。
从Joule的实验,我们注意到实验中系统的性质——绝热。
喀喇氏指出,绝热过程的定义不应使用热量这一概念,这正是喀喇氏理论的核心。
绝热过程定义为:系统状态的变化完全是由外界的机械功或电磁作用引起,这种过程叫绝热过程。
Joule的两个实验都是绝热过程。
实验的结论是:绝热过程中,外界对系统作功只与系统的初态和末态的状态有关,也就是说,一个系统的状态量在系统初与末时的差异等于从外界获得的功。
我们称这个状态量为内能。
其数学表达为系统末态内能—系统初态内能=外界对系统作功值或系统内能改变量=外界对系统作功值这就是内能的引入,似乎比我们想象的药简单,但要知道,Joule做了20年类似上面的两个实验,谈何容易。
热力学发展简史

热力学发展简史引言概述:热力学是研究能量转化和能量传递的科学,它在物理学、化学和工程学等领域中起着重要作用。
本文将回顾热力学的发展历程,从早期的观察和实验开始,逐步推进到理论的建立和应用的拓展。
通过了解热力学的发展历史,我们可以更好地理解和应用这一学科。
一、早期观察和实验1.1 热量传递的发现:早在古代,人们就观察到物体之间的热量传递现象,例如火热的石头使附近的物体变热。
这些观察为后来热力学的发展奠定了基础。
1.2 热力学第一定律的提出:18世纪末,焦耳通过实验发现,机械功可以转化为热量,而热量也可以转化为机械功。
这一发现奠定了热力学第一定律的基础,即能量守恒定律。
1.3 热力学第二定律的探索:19世纪初,卡诺提出了卡诺循环理论,进一步推进了热力学的发展。
他发现,热量不会自发地从低温物体传递到高温物体,这启发了后来热力学第二定律的提出。
二、理论的建立2.1 熵的引入:19世纪中叶,克劳修斯提出了熵的概念,将其作为衡量系统无序程度的物理量。
熵的引入使得热力学得以建立在统计力学的基础上,为热力学提供了更深入的理论基础。
2.2 热力学函数的发展:根据熵的引入,热力学函数得以发展,如内能、焓和自由能等。
这些函数可以描述系统的热力学性质,为热力学的应用提供了重要的工具。
2.3 统计力学的发展:19世纪末到20世纪初,玻尔兹曼和吉布斯等科学家通过统计力学的研究,进一步深化了热力学理论。
他们发现,热力学性质可以通过分子运动的统计规律来解释。
三、应用的拓展3.1 工程热力学的兴起:19世纪末至20世纪初,随着工业革命的兴起,工程热力学成为一个重要的研究领域。
人们开始研究如何应用热力学原理来改进工业过程和能源利用效率。
3.2 热力学在化学中的应用:热力学为化学提供了重要的理论基础,例如在化学反应的研究中,热力学可以帮助预测反应的方向和平衡条件。
3.3 生物热力学的研究:近年来,热力学在生物学领域的应用日益重要。
生物热力学研究生物体内能量转化和代谢过程,为生命科学的发展提供了理论支持。
热力学发展简史

热力学发展简史热力学是一门研究能量转化与传递的科学,旨在理解物质的宏观性质和微观行为。
本文将为您介绍热力学的发展历程,从早期的热力学原理到现代热力学的应用。
1. 早期热力学原理热力学的起源可以追溯到18世纪末,当时科学家开始研究热量传递和能量转化的规律。
其中,卡诺提出了热力学第一定律,即能量守恒定律,认为能量既不能被创造也不能被毁灭,只能转化形式。
同时,卡诺还提出了热力学第二定律,即热量不会自发地从低温物体传递到高温物体,而是从高温物体传递到低温物体。
这两个定律为后来的热力学研究奠定了基础。
2. 热力学定律的发展随着科学技术的进步,热力学的研究逐渐深入。
19世纪,克劳修斯和开尔文等科学家进一步发展了热力学定律。
克劳修斯提出了热力学第三定律,即绝对零度不可达到,熵在绝对零度时为零。
开尔文则提出了热力学第四定律,即热力学过程不可逆的原理。
这些定律的提出丰富了热力学的理论体系。
3. 热力学的应用热力学的研究不仅仅是理论上的探索,还有许多实际应用。
热力学在能源领域的应用尤为广泛。
例如,蒸汽发电厂利用热力学原理将燃料的化学能转化为电能;空调系统利用热力学原理实现室内温度的调节;热力学还在化学工程、材料科学等领域发挥着重要作用。
4. 现代热力学的发展随着科学技术的不断进步,热力学的研究也得到了长足的发展。
现代热力学已经与其他学科相结合,形成了许多交叉学科,如统计力学、非平衡热力学等。
这些新的研究领域使得热力学的应用更加广泛和深入。
5. 热力学的未来展望随着人类对能源需求的不断增长和环境问题的日益严重,热力学的研究也面临新的挑战和机遇。
未来,热力学将继续发展,为解决能源和环境问题提供更多的科学依据和技术支持。
同时,热力学的研究还有待进一步深入,特别是在微观和纳米尺度上的研究。
总结:热力学作为一门研究能量转化与传递的科学,经历了从早期热力学原理到现代热力学的发展过程。
早期的热力学原理由卡诺提出,随后克劳修斯和开尔文等科学家进一步发展了热力学定律。
热力学发展简史

热力学发展简史热力学是研究能量转化和传递的科学领域,它涉及到物质的热力学性质、热力学定律以及热力学过程等方面的研究。
本文将从热力学的起源开始,追溯其发展的历史,并介绍一些重要的里程碑事件。
1. 起源热力学的起源可以追溯到18世纪末,当时研究热和能量的关系成为科学界的热门话题。
最早的研究者之一是苏格兰物理学家詹姆斯·瓦特(James Watt),他在改进蒸汽机的过程中发现了热能和机械能之间的转化关系。
2. 卡诺循环在19世纪初,法国工程师尼古拉·卡诺(Nicolas Carnot)提出了著名的卡诺循环理论。
他通过研究理想热机的工作原理,提出了热力学第二定律,即热量不可能自行从低温物体传递到高温物体。
这一定律对热力学的发展产生了深远的影响。
3. 热力学定律热力学定律是热力学的基本原理,它们描述了能量转化和传递的规律。
其中最著名的是热力学第一定律,也称为能量守恒定律,它表明能量在系统内的总量是不变的。
此外,热力学第二定律和第三定律也是热力学的重要基石,它们分别描述了能量转化的方向和温度趋向绝对零度时的性质。
4. 统计热力学19世纪末,统计热力学的发展为热力学理论提供了新的视角。
统计热力学通过分子运动的统计规律来解释宏观热现象,从而建立了微观和宏观之间的桥梁。
这一领域的重要贡献者包括奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)和瑞士物理学家阿尔贝·爱因斯坦(Albert Einstein)等。
5. 热力学应用热力学的发展不仅推动了理论物理学的进步,也在工程和科技领域产生了广泛的应用。
例如,热力学的概念和原理被应用于蒸汽机、内燃机和制冷设备等能源转换系统的设计和优化。
此外,热力学还在材料科学、化学反应动力学等领域发挥着重要作用。
6. 当代热力学研究随着科学技术的发展,热力学的研究也在不断深入。
当代热力学研究涉及到更加复杂的系统和现象,如非平衡热力学和热力学在生物学中的应用等。
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摘要介绍了热力学三个定律和非平衡态热力学的发展过程及其关系,并阐述了热力学定律和热力学量的含义。
关键词热力学不可逆过程热力学熵
化学是论述原子及其组合方式的科学。
人们最初考察化学反应时,是把反应物放在一起,经过加热等手段,然后分析得到些什么产物,后来根据原子分子假说,有了“当量”的概念,建立了反应物与产物之间的一定联系。
人们根据化学组分随条件的变化,发现了质量作用定律,引伸出化学平衡常数。
运用热力学定律,人们开始掌握从热力学函数去计算化学平衡常数的方法,并且可以对化学反应的方向作出判断,诞生了化学热力学。
化学现象是由反应速率表征的,只有在非平衡条件下化学反应过程才会呈现出非零的反应速率。
因此,化学现象本身是一种非平衡现象。
化学热力学应属于非平衡热力学(也即不可逆过程热力学)的范畴。
但是,传统热力学虽然从科学体系来看,的确是严谨而完美的;严格来讲,整部经典热力学并不涉及“时间”和“空间”,它主要限于研究平衡态和可逆过程,其主要原因是长期以来整个非平衡热力学缺乏一个较为令人满意的理论。
现实世界发生的变化却不可避免地涉及到时间上的演化和空间上的不均匀性,这种变化都是不可逆的。
对非平衡的不可逆过程,经典热力学仅仅提供了一个关于熵(或自由能)的不等式,要对非平衡过程作定量描述,必须寻找适当的等式代替上述不等式。
还有一点应指出,由于传统的化学热力学只涉及平衡问题,因此几乎和化学动力学不发生关系。
非平衡化学反应的热力学必定要与非平衡的化学过程相联系,热力学不再能和动力学相分离,动力学因素(如催化剂)有可能在热力学上起作用,如何把化学热力学和化学动力学有机地结合起来是值得研究的一个重要课题。
尽管线性非平衡态热力学理论对热传导、扩散等输运过程有主要应用,但对化学反应的应用却受到很大的限制,这是因为通常条件下的化学反应的流(反应速度)和力(反应亲和势)并不满足线性关系。
化学反应的速率一般地说是浓度、温度等变量的非线性函数,化学反应体系是用三维线性方程描述的,本世纪60年代以来对非线性区的研究获得可喜的成果,并已形成了“非线性不可逆过程热力学”。
热力学是一门实验科学,又是牢固地以严格的代数为基础的领域。
热力学是由一群方程式和一些不等式构成的,这些方程式和不等式将某些类型的可测物理量相互联系起来。
著名的量子化学家美国波士顿学院教授潘毓刚曾说古典热力学有千万个公式,而量子力学只有一个公式--薛定谔方程,任何一个热力学方程都是很有用的,因为某些量比另一些量容易测量,通过测量易测之量,利用热力学方程式,就可以得出那个难测之量。
热力学的基本内容,就是论证几个抽象的热力学量的存在(温度、热力学能、熵)并研究热力学量之间的关系。
热力学中一个平衡系统完全由一组参量(体积、温度、熵)描述,我们总是认为这组参量是完整的。
然而,人们评价热力学之所以有力和有独到之处,就在于它本质上的不完整性,这样一个系统在许多细节上还有大量不知道的这一事实,也许正是热力学家们引以自豪的根源。
由于不要求系统内部知识的完整性,有了系统参量就可以精确地导出系统的值,充分利用已有的知识,促使成为可用的东西才是更富有成效的工作。
把热力学的基本原理用来研究化学现象以及和化学现象有关的物理现象,就称为化学热力学。
热力学第零定律正确的表述应为“热平衡具有传递性,由此,证明存在一个表征热平衡状念的态函数--温度。
温度在热力学中时常出现,温度是一个极其特殊的物理量,两个物体的温度不能相加,若说某一温度为其它两个温度之和是毫无意义的,甚至,某温度的几倍,以某种单位来测量温度等等说法,也都缺乏明确的意义,严格讲,两个温度之间只有相等或不相等这种关系。
测量、普通的观测,测量所得的即为该单位的倍数或小数,但
对温度而言,我们做的不是测量,只是做标志(指标)而已。
热力学正是根据:温度随其它物理量改变而改变的原理,任意选定一种物理量作为温度的指标。
统计物理揭示,温度为分子平均动能的度量。
大家知道,“低温是有极限的,低温的极限是绝对零度”,高温的极限在哪里?可能以5×109k为其上限。
热力学第一定律就是宏观体系的能量守恒与转化定律。
“IUPAC”推荐使用…热力学能‟,从深层次告诫人们不要再去没完没了的去探求内能是系统内部的什么东西”,中国物理大师严济慈早在1966年就已指出这点。
第一定律是1842年前后根据焦耳等人进行的“功”和“热”的转换实验发现的。
它表明物质的运动在量的方面保持不变,在质的方面可以相互转化。
但是,没有多久,人们就发现能量守恒定律与1824年卡诺定理之间存在“矛盾”。
能量守恒定律说明了功可以全部转变为热:但卡诺定理却说热不能全部转变为功。
1845年后的几年里,物理学证明能量守恒定律和卡诺定理都是正确的。
那么问题出在哪呢?由此导致一门新的科学--热力学的出现。
克劳修斯发现各种自然变化可以分为两大类:一类变化可以自发地进行,这类变化称之为正转变。
还有一类与自发变化相反的变化,称之为负转变,这类变化的进行必须以正转变作补偿。
这样,克劳修斯从自然变化的自发性出发,引出了不可逆过程和不可逆性的概念,一下子抓住了问题的关键,他花了十五年的时间,终于发现热力学系统完成一循环过程时存在如下的关系:
克劳修斯把这个状态参数取名entropy。
关于entropy这个名词的选择,克劳修斯写道:在确定一些重要的科学量的名称时,我宁愿求助于古代的文字,这样做的目的是为了使这些名称能在现有各种文字中表示同样的意思,因此我建议把s叫做物体熵,熵在希腊文里表示“变化”。
克劳修斯所以不惜精力引进一个新名词,其目的不使人们引起任何联想。
德国物理学家R.普朗克在东南大学作热力学第二定律及entropy观念的学术报告。
我国物理科学开创者之一胡刚复教授,把entropy译成“熵”。
他认为熵这概念太复杂,从热量变化与温度比出发,他把商字加上火字旁,译成熵。
克劳修斯最初的目的是要在守恒的概念和可逆性的概念之间作出清楚的区分。
力学变化中可逆性和守恒性是吻合一致的,而物理化学变化却不同,即使它们不可能是可逆的,却也能够是能量守恒的。
自1865年,克劳修斯引进熵函数S以来,人们试图对熵概念作出更直观的解释和定义,困难到底在哪里?
第一,“熵”作为系统的状态参数并不是动力学性质的,因而迄今为止人们还不能对其进行直接观测得出直观的感性印象;第二,“熵”并非系统外在的,表面的属性,而是内在的,深层的属性。
因此,凡试图从宏观表象直接定义“熵”恐怕都不会十分成功。
“熵”和熵原理在热力学中的显赫地位,可借用下段描述证实:
“在自然过程的庞大工厂里,…熵原理‟起着经理的作用,因为它规定整个企业的经营方式和方法,而…热力学能‟和…能的原理‟仅仅充当薄记,平衡贷方和借方。
”。
熵的本质是变化的方向性和时间的方向性,而描述粒子运动的哈密顿方程中对时间的微分是二次的,正时间和负时间并没有区别。
物理定律除热力学第二定律外,几乎都是时间反演对称的,不论是牛顿方程,还是薛定谔方程,时间t和-t的作用是相同的,不管经典力学、量子力学、相对论都描绘的是一幅静态的、可逆的、确定的永恒不变的自然图景。
唯有熵概括了演化的特征,成为“发展”的指标,指明了不可逆过程的方向性,即“时间箭头”。
在香水扩散实验中,香水会挥发掉,香水分子将均匀分布在整个房间中。
这个过程是不可逆的。
不管等待多久,香水分子也不会再集中到瓶子中去,某个特定分子可能掉过头来沿着它原来的轨迹回去,不违反物理定律。
因为支配分子运动的定律关于时间反演是对
称的,始态、终态两个点,每一点全是另一点的结果,初始状态极为难得,是不可逆的根本原因。
时间的方向性是由于在任一物理过程中,系统的状态点是从比较有秩序变成比较无秩序。
在较为复杂的事件中似乎也存在着研究的方向性。
有人讲:“把汽车从停车场开出来,要比将汽车在停车场上停容易。
把玻璃打破比用碎玻璃拼好容易。
把积木弄乱比把它拼成图案容易,把一个人打死比救活一个人容易”(摘自诺贝尔物理奖获得者库珀的著作)。
自然界有两种进化规律,一是热力学第二定律,另一是达尔文的生物进化论。
热力学第二定律指出,在孤立的系统中,过程总是朝着熵增的方向变化的,即是:物质总是朝着消灭信息、产生混乱的方向演化的。
但是达尔文的生物进化论则正好相反,它指出生物的进化(演化)方向是由简单到复杂、由低级到高级、由信息少到信息多、或者说是朝着产生信息,产生秩序的方向演化的(如由单细胞发展到人)。
人不只有各类完善的细胞,而且还有用这些细胞组成的各种组织、器官、系统、甚至最高有序的大脑,因而也就有了思维。
可见,物理学上的进化规律与生物学上的进化规律岂非截然相反以致针锋相对了吗?
两种进化规律并不矛盾,而是统一在一个更为广泛,更为普遍的拓宽了的热力学之中。
这一拓广了的热力学,就是不可逆过程热力学或非平衡热力学。
它指出:平衡状态是无序的,而非平衡状态才可能有序的。
究竟是向无序演化,还是向有序演化,这要看是趋向平衡的近平衡区的过程,还是远离平衡的远平衡区的过程。