1220140230 樊晨芳 生命系统、生态系统的熵分析
熵
• 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 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 有序，越不均匀；系统的熵值越大 所处的状态越是无序，越均匀。 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。
• 2.系统外部 2.系统外部
（1）.从国外摄取负熵，以补充国内正 从国外摄取负熵， 例如出口，掠夺战争等。 熵。例如出口，掠夺战争等。 （2）.直接从自然界摄取负熵，以补充 直接从自然界摄取负熵， 国内正熵。例如：采矿，砍伐森林等。 国内正熵。例如：采矿，砍伐森林等。
• 一个国家可以通过多种手段来实现正熵与
• 1.自然界无法承受熵增而崩溃，人类社会也随着崩溃。 1.自然界无法承受熵增而崩溃，人类社会也随着崩溃。 • 2.自然界无力补充人类社会所需的负熵，人类社会崩溃， 2.自然界无力补充人类社会所需的负熵，人类社会崩溃，
自然界则逐步重新得到平衡。
• 3.自然界无力补充人类社会所需的负熵，人类主动寻求人 3.自然界无力补充人类社会所需的负熵，人类主动寻求人
事物从有序向无序变化则熵增加， 可称之为正熵。 可称之为正熵。 事物从无序向有序变化则熵减少， 可称之为负熵。 可称之为负熵。
生命熵
生命体是一个开放的系统，时刻与外 生命体是一个开放的系统， 界进行着物质、能量、信息的交换， 界进行着物质、能量、信息的交换，符合 耗散结构” “耗散结构”，可以用熵来分析一个生命 体从生长、衰老、病死的全过程， 体从生长、衰老、病死的全过程，用“生 命熵”来独立定义。 命熵”来独立定义。
生命负熵来源
对于人类，有序化的能量形式是多种多样的， 对于人类，有序化的能量形式是多种多样的， 并且随着生产力的发展而不断扩展 人类——最早的有序化能量主要是食物 最早的有序化能量主要是食物， 人类——最早的有序化能量主要是食物，火的应 用拓展了食物的范围； 用拓展了食物的范围； ——按照不同的需要建造各种扩展耗散结构 ——按照不同的需要建造各种扩展耗散结构， 按照不同的需要建造各种扩展耗散结构， 间接地把许多形式的无序化能量转化为有序化能 量； ——通过发电设备将各种水力 煤炭、石油、 ——通过发电设备将各种水力、煤炭、石油、 通过发电设备将各种水力、 核能、风能、太阳能等无序化能量转化为电能； 核能、风能、太阳能等无序化能量转化为电能；
生态系统的能量流动课件高二上学期生物人教版选择性必修2
喀拉峻草原
天山大峡谷
生产者
15 000 000
2 000
初级消费者
2 000 000
1 500 000
次级消费者
900 000
1 200 000
三级消费者
10
20
构建生态系统的数量金字塔
任务五：构建生态系统生物数量金字塔模型
上宽下窄
上窄下宽
意义：
直观的反映生态系统各营养级的生物个体的数目比值关系
1/25
1/10000
1.由生产者推导最高营养级（获得量）
获得能量最多：选最短食物链；按×20%计算获得能量最少：选最长食物链；按×10%计算
1
能量传递效率的相关计算
例（2）如果C增重1kg，至少消耗A_____千克，最多消耗A__ _千克
25
10000
2.由高营养级推导生产者
例(3)在右图的食物网中，如果C从B、F中获得的能量比为3∶1，C增重1kg，则最少需要消耗A多少kg？
3.在能量分配比例已知时，按比例分别计算，最后相加
沿食物链A→D→E→F→C逆推：1/4kg× 5 × 5 × 5 × 5＝625/4kg
消耗A最少，按最高传递效率20%计算（前级是后级5倍）：
75/4kg+625/4 kg=175kg
沿食物链A→B→C逆推：3/4kg × 5 × 5＝75/4kg
小结
第2节 生态系统的能量流动
第三章 生态系统及其稳定性
第1课时
请同学们将赛达伯格湖的能量流动数据，用相应面积或体积的图形表示，并按营养级由低到高排列。
任务四：构建生态系统能量流动金字塔模型
肉食性动物12.6J/(cm2·a)
平衡态和非平衡态系统中熵的含义和应用探讨
平衡态和非平衡态系统中熵的含义和应用探讨熵是热力学中一个重要的概念，在平衡态和非平衡态系统中都具有重要的含义和应用。
本文将从熵的理论背景出发，探讨平衡态和非平衡态系统中熵的含义和应用。
首先，我们来了解熵的基本概念。
熵是用来描述系统的混乱程度的物理量，也可理解为系统的不可逆性。
在平衡态系统中，熵可以用来衡量系统的均匀程度和无序程度。
当系统达到热平衡时，熵取最大值，表示系统的最高混乱程度。
而在非平衡态系统中，熵的增加可以用来描述系统的演化过程中的不可逆特征。
在平衡态系统中，熵的应用非常广泛。
根据熵的定义，我们可以利用熵来推导和解释热力学定律。
例如，热力学第二定律中的熵增原理可以通过熵的定义来推导得到。
熵的增加代表着系统的混乱程度增加，而热力学第二定律描述了自然界中不可逆过程的发生趋势，即系统总是倾向于向更高熵的状态演化。
因此，熵增原理给出了系统演化的方向和趋势。
另外，熵还可以应用于描述系统的稳定性和平衡态的判定。
根据熵的定义，当系统的熵达到最大值时，系统处于平衡态。
因此，通过计算系统熵的变化可以判断系统是否处于平衡态。
熵的变化趋向于使系统的熵增加，所以可以通过熵变的符号和大小来判断系统是否向平衡态演化。
在非平衡态系统中，熵的应用更多地涉及到描述系统的演化过程和稳定态的判定。
例如，在非平衡态系统中，熵增加可以用来描述系统的演化过程中不可逆的特征。
熵增加意味着系统向更高熵的状态演化，因此可以通过熵变的符号和大小来描述系统的不可逆特征。
此外，在非平衡态系统中，熵还可以应用于描述系统的稳定性和不稳定性。
当系统处于非平衡态时，系统的演化是动态的，可能会发生各种各样的现象和行为。
根据熵的定义，系统的不稳定性可以通过熵的变化趋势来判断。
当系统的熵增加时，系统趋向于更高熵的状态，即不稳定态。
反之，当系统的熵减小时，系统趋向于更低熵的状态，即稳定态。
总结起来，熵在平衡态和非平衡态系统中都具有重要的含义和应用。
在平衡态系统中，熵可以用来描述系统的均匀程度和无序程度，同时也可以用来推导和解释热力学定律。
人教版高中生物必修3课件-生态系统的结构(24张)-PPT优秀课件
生态系统的结构
模型建构
生 态 系 统 的 成 分
人教版高中生物必修3课件：5.1生态 系统的 结构(共 24张PP T)【PP T优秀 课件】- 精美版
非生物物质和能量 生产者 捕食关系
生
物 消费者
群
食 物 链 （ 网 ）
（ 营 养 结 构 ）
落
分解者
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2、下图是食物网简图,分析并简要回答:
兔
鹰
蛇
蜥蜴
相思鸟
蚯蚓
绿色植物
蚱蜢
(1)图中的初级消费者是 蚯蚓、兔、蚱蜢,蛇是 三级消费者,属第四营养级,鹰同时占有 三 个 营养级。 (2)图中的兔和蚱蜢两者是 竞争关系,而蜥蜴和蚱 蜢是 捕食 关系。 (3)如果蚱蜢忽然减少,蚯蚓数目将先 趋增于加稳，定最终。
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具体情况三：中间生物被捕杀，不同情况要分家。
1、沿不同路径分析结果可能不同，应该以中间环节少 的为主要分析依据。
2、一般在较复杂的食物网中，第2营养级的变化对第1 营养级（生产者）影响不大。
3、处于较高营养级的动物有多种食物来源（占多条食 物链），则其中某一食物来源减少时，该营养级动物可依
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猫头鹰
点评内容：
1、检查食物网画的蛇正确与否？
鼠
2、说说数食物链的方法。
3、问题的鸟回答都正确吗？蟾为蜍什么？
昆虫
生态系统模型与分析方法
生态系统模型与分析方法生态系统是指由生物群落、非生物环境和它们之间的相互作用构成的一个复杂的系统。
为了更好地理解生态系统的结构和功能，生态学家们提出了各种生态系统模型和分析方法。
本文将介绍几种常用的生态系统模型和分析方法。
一、营养链模型营养链是指生物之间由食物转化而成的能量关系。
营养链模型可以帮助我们理解生态系统中的能量流动以及物种之间的相互关系。
在营养链模型中，每个物种被划分为一个营养等级，即它在食物链中所处的位置。
能量从一个营养等级流向下一个营养等级，直至最后得到生态系统中的所有生物的总产量。
营养链模型还可以被用来预测生态系统的稳定性。
例如，如果某个物种在营养链中被消除，会对生态系统产生何种影响。
营养链模型已经被广泛应用于生态学研究中。
二、物种多样性模型物种多样性是指生态系统中不同物种的数量和比例。
物种多样性模型可以帮助我们理解生态系统中不同物种之间的相互作用，以及它们对整个生态系统的影响。
物种多样性模型可以通过测量生态系统中的物种数量、物种丰富度和物种均匀度来确定。
物种多样性模型还可以帮助我们评估生态系统受到干扰的程度。
例如，在一个受到人类活动影响的区域中，物种多样性可能会下降，导致生态系统的不稳定性。
因此，了解生态系统中物种多样性的变化情况，可以帮助我们更好地保护生态系统。
三、生境模型生境是指生物栖息的地方，包括自然生境和人工生境。
生境模型可以帮助我们理解生态系统中生物所处的不同生境类型，并可以帮助我们评估生物在这些不同生境中的适应性和竞争力。
生境模型还可以帮助我们预测生物受到环境变化的影响。
例如，在全球气候变化的背景下，生境模型可以帮助我们预测不同生物的分布范围和种群数量的变化。
四、生态经济模型生态经济模型是指将生态系统看作一种经济系统，分析其中的生产、消费和交换行为。
生态经济模型可以帮助我们理解生态系统中不同物种之间的经济相互作用，以及如何最大限度地利用生态系统资源。
生态经济模型还可以帮助我们评估各种利益相关者对生态系统的影响。
用熵和简化生态系统熵模型论生命及生存环境的关系
高空水 汽 凝结 成有 规则 的六 角形 雪 花 。这类 有序 现 象 可称 为 自组织 现 象 。
别， 在于 开放 系统随 着环 境 的物质 和能量 交 换 ， 在 存
一
在生 物界 ， 同样 存 在 自组 织 现 象 。我 们 知 道 每
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北京建筑工程学 院学报 第１卷 第 １ ８ 期
２０ Ｏ ２年 ３ 月
Ｃ Ｊ ＥＮＧＩ ＯＦＢ ＩＩ Ｇ ＡＲＣＨＩｒ ｎｒ Ｒ Ｌ ｎ， ＮＡＮＥＥＲＩ Ｊ Ｎ Ｉ Ｔ Ｔ ＴＥＣｒ ＮＧ Ａ ＵＲＥ ＯＵ Ｅ ．ＮＤ Ｉ Ｌ ＥＯＦ ＮＳ ｒ ．８Ｎ １ １ ｏ．
个 非零 的熵 流 ， 只要 维 持一 个 足够 的负熵 流 （ 熵减
少 ） 原则 上系统 有 可能 被维持 在 某种 比平衡 态低 熵 ， 的状 态 ， 这种低熵 的状 态 可对 应于 某种 有序状 态 。
人体 是 一 个典 型 的 开 放 系统 ， 一 个远 离热平 是
衡态 的高度 有序 系统 ， 时刻 离不 开其生 存 的环境 ， 它
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８ ８
ｄ ｄ ． ｄ ｓ ｓ ｓ
北京建筑工程学 院学报
第ｌ ８卷
环境中摄取食物（ 其结构是高度有序的， 即是低熵 也
的） 获得 能量 ， 泄 出 的废 物 与食 物 相 比 ， 序 程 度 排 无 大大 增加 ， 而体 内死 去 的细胞 必 须更换 ， 的组织 不 新
耗 散能量 和破 坏 有 序结 构 的作 用。但 是 ， 这个 结 论
是 从孤 立系 中以及 在平 衡态 不远 的条件下 总结 出来
的。而对 于上 面列 举 的 自组织 现 象 ， 系统 是 处于 开
1220140230 樊晨芳 生命系统、生态系统的熵分析
在生命活动进行过程中，总是存在着许多不可逆的过程，而我们由上式中（4）可知：生命体之所以能够形成，就必须从外界获得与dsi一样大的负熵流进行相互抵消。生物有机体的生命活动可用下图解释：
图一生命活动图
由上图可知：当生物体在外界得到的负熵流数值如果大于生物体自身所产生的熵，即（|dse|>dsi）时，那么在生命系统中熵变ds<0，整个系统的熵将减少，而系统的有序度将会增加，生命体从有序不断的向更加有序转变，这就表示着生物体正处在生长阶段；但如果负熵的数值恰好和熵产生相等（|dse|=dsi），即熵变ds=0，系统处在一种稳定的有序结构，生物体将进入成熟阶段；若负熵流数值比熵产生的要小（|dse|<dsi），也就是生物体的熵变ds>0,系统的熵增加，生命体就会出现衰老、退化等症状，当熵慢慢增大到最大时，意味着生命体已经步入高度混乱状态，不能继续维持一切正常的生命活动，直至死亡。
Key words: lifesystemecologicalenvironmentsustainable developmententropy
绪
在２１世纪中，随着经济全球化和技术全球化的发展，生命系统、生态环境的问题日益突出，生态环境系统评价标准逐渐引起了政府及相关机构的关注。生命系统可以持续健康的发展宇生态环境是密切联系的，而人类正在以史无前例的规模和速度改变着生态环境，使生命系统的可持续发展遭到了空前的损害，同时给人类健康生存带来了严重的威胁。为了保证生态系统持续、有效的发展，成为了当今迫不及待的研究主题。而生命系统是以负熵为生，从生态环境中得到更大的熵增，因此减缓生态环境的熵增过程，是保证人类生命系统、生态环境健康、持续、活力有序的发展。
3、生态系统与熵之间的关系
生态系统（ecosystem）或生态学系统（ecological system）就是在一定空间范围内，生物群落与其非生物环境，通过能量流动、物质循环、物种流动、信息传递而形成相互作用、相互依存的动态复合体⑥。简而言之，生态系统就是一定空间内生物群落（biotic community）及其非生物环境形成具有一定功能的整体。 生态系统这一学科是由英国的生态学家Tansley引出的，他将植物、动物等群落和土壤、气候、等结合起深入研究，首次指出了“生态系统”这一名词。显然，生态系统不只是由生物因素组成的，还包含了土壤等许多非生物因素的存在。整个生态系统之间的关系可以用下图来表示：
基于熵权法的生态服务价值评估研究
基于熵权法的生态服务价值评估研究生态服务是指生态系统为人类提供的各种物质和非物质资源，如水资源、气候调节、水土保持等。
生态服务的价值评估可以帮助我们更好地理解生态系统的重要性，并为环境保护和可持续发展提供科学依据。
本文将基于熵权法进行生态服务的价值评估研究。
熵权法是一种多指标综合评价方法，它通过计算指标之间的相对熵值，并将其转化为权重，从而确定各项指标的重要程度。
熵权法适用于多指标、多层次的决策问题，可以避免主观因素的干扰，提高评价结果的科学性和可靠性。
生态服务的价值评估可以分为四个步骤进行：指标选择、数据收集、计算权重和价值评估。
指标选择是生态服务价值评估的第一步。
在选择指标时，需要考虑指标的可观测性、区分度和代表性。
常用的指标包括物种多样性、生物量、土地利用变化等。
数据收集是生态服务价值评估的第二步。
收集指标所需的数据，可以通过野外调查、遥感技术和监测站点等方式获取。
数据的质量和准确性对评估结果有重要影响，因此要确保数据的来源可靠和数据采集方法科学。
计算权重是生态服务价值评估的第三步。
利用熵权法计算各项指标的权重，可以根据指标的重要性对其赋予不同的权重。
计算权重需要先计算各指标的相对熵值，再进行熵值的标准化处理。
价值评估是生态服务价值评估的最后一步。
将指标的权重和数据进行加权计算，得到各项生态服务的价值。
可以利用GIS等技术将评估结果在空间上进行展示，从而得到生态服务的空间分布格局。
基于熵权法的生态服务价值评估研究能够综合考虑各项指标的重要性，并科学地评估生态系统的服务功能。
这种方法具有客观性和科学性，可以为生态环境保护和可持续发展提供决策支持。
熵权法也存在一些局限性，例如对数据的要求较高，数据不完备或不准确可能影响评估结果。
在应用熵权法进行生态服务价值评估时，需要注意数据的选择和质量，并结合其他方法进行验证和修正，以提高评估结果的可靠性和准确性。
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本科生毕业论文
生命系统、生态系统的熵分析
Entropy analysis of ecological system in life system
姓 名：樊晨芳
院 系：物理学院
专 业：物理学
学 号：1220140230
指导老师：贺小光
教师职称：教授
生命系统 生态环境的熵分析
摘 要
本文开篇简单的介绍了熵的概念，明确表示了熵代表着混乱度；然后，在这篇文章中，我主要从两方面来阐述：1、从生命系统开始着手，通过生命系统的概念、生命系统在自然界中存在的原因以及进化等方面，于熵进行联系，详细赘述了生命系统与熵之间的关系；并体现了熵对于生命系统的意义。2、从生态系统开始着手，通过对生态系统的介绍，运用热力学第二定律来描述熵，将熵的物理意义与生态系统紧密结合，在此，详细举例描写了城市生态系统和湿地生态系统的熵分析，同时还描述了可持续发展的概念，通过其生态系统的熵分析如何使我们的生态系统可持续发展等等。最后，我通过总结写出了负熵对于生命活动和生态环境有着举足轻重的意义。值得我们学习。
Key words: lifesystemecologicalenvironmentsustainable developmententropy
绪
在２１世纪中，随着经济全球化和技术全球化的发展，生命系统、生态环境的问题日益突出，生态环境系统评价标准逐渐引起了政府及相关机构的关注。生命系统可以持续健康的发展宇生态环境是密切联系的，而人类正在以史无前例的规模和速度改变着生态环境，使生命系统的可持续发展遭到了空前的损害，同时给人类健康生存带来了严重的威胁。为了保证生态系统持续、有效的发展，成为了当今迫不及待的研究主题。而生命系统是以负熵为生，从生态环境中得到更大的熵增，因此减缓生态环境的熵增过程，是保证人类生命系统、生态环境健康、持续、活力有序的发展。
1
熵S是描述热力学系统的一个态函数，用公式表示①:
dS= 或Sb-Sa
其中，Sa代表初状态的熵值，Sb代表末状态的熵值，T表示的是绝对温度，Q为热量，Sa-Sb则代表熵变，而公式中的等号表示的是可逆过程，大于等于号则代表的不可逆过程。
由上可知，在整个过程中，对于可逆过程来说，熵一直保持不变，对于不可逆而言，熵则一直增加。这就是熵增加原理。因此，我们根据熵变原理，当系统保持在平衡态时，熵值增加到了最大值。从宏观上来讲②，熵是不可用能的量度，熵愈增，不可用能愈大。而Boltzmann将熵与系统的微观状态联系起来建立了著名的Boltzmann关系式③：
关键词：生命系统 生态环境 可持续发展 熵
Abstract
This paper begins with a brief introduction to the concept of entropy, it is clear that the entropy represents the degree of confusion; then, in this article, I mainly divided into two aspects to describe in detail:1, from the system life began, through the concept of life system, life system in nature exist and evolution, from the entropy of contact, redundancy and detailed the relationship between the life system and the entropy, and embodies the entropy for the meaning of life system.2, from the ecosystem began through the introduction of ecological system, to describe the entropy using the second law of thermodynamics, the physical meaning of entropy and the ecological system will be closely integrated. Here, a detailed example describes the analysis of the entropy of the urban ecosystem and wetland ecological system, and also described the concept of sustainable development, through entropy analysis of the ecological system of how to make our ecosystem sustainable development and so on. In the end, I have made a summary of the significance of the negative entropy in life activities and ecological environment. Worthy of our study.
所以说，生命之所以存在，是因为它能够不断地从环境中吸收负熵。因此，我们作为生命体中的一员，要使生命能够繁荣的繁衍下去，就必须控制好负熵的吸收，使生物体处于生长阶段或者成熟阶段；但如果我们短时期的从外界吸收过多的负熵，使得局部的熵值积累，则会导致局部出现混乱的状态，出现这样的情况，则表明生命体不健康，处于有病的状态，因此医生对此病采取的各种措施都是为了降低生物体内过多的熵，使其恢复到健康状态。
第一条定律：ΔH=Qp+Wp(1)
第二条定律:ΔH=ΔG+TΔS(2)
捕食
生物（植物、动物等等）
竞争
非生物（土壤、空气等等）
合作
生产者……………………………第一营养级
初级消费者…………第二营养级
消费者次级消费者…………第三营养级
三级消费者…………第四营养级
分解者
图二生态系统关系图
如图所示，在这个生态系统生产者、消费者和分解着图中，生产着的增加或者减少，都直接或者间接影响着一级消费者的增加与减少。而此时，能量流动就是维持生态系统的关键源泉，生态系统中所有的生命活动都需要能量的转化。这些能量存在于整个生态系统中，包括生物体内，也包含外界的环境。生态系统中能量流动是遵循热力学的两条定律⑥：
生命的进化是与时间相关的，而熵则代表着时间的箭头，在整个生命系统中一切生命都是不可逆的。熵与时间紧密相连。倘若时间静止，那么熵增也就失去了意义。正如我们大学所学的《热力学统计物理学》中提到的一句话⑦：“任何我们已知的物质能关住”的东西，不是别的，就是“时间”。低温关住的也是“时间”。生命是物质的有序“结构”。“结构”与具体的物质不是同一个层次的概念。可以用一个例子简单描述一下，譬如一个桌子的构造和建造这个桌子使用的原料不是同一个层次一样。
熵在物理学中是用来描述和探索生态环境中普遍存在的运动形式的不可逆性。自从1865年克劳修斯状态函数---熵后，它已经从一个孤立的、平衡的、线性的系统发展成为一个开放的、非平衡的、非线性的系统。随着科学的不断融合发展，熵已不仅仅局限于物理学范畴，已不断出现热力学熵、信息熵、统计熵等适用于自然科学、生物学、社会科学等学科领域中。使其成为各学科融合的“关节”和“引线”。
des=ds.(3)
然而，对于一个非平衡的热力学过程，如一个开放的系统，即与外界发生物质和能量交换的系统，普利高津理论认为③：其熵变由两部分组成，
即：ds=dse+dsi (4)
其中，dse为来自系统外的熵流（Entropy flow）,是系统在dt时间内与外界交换的能量或物质而引起的熵流。它可以是正，是负或零。Dsi为内部的熵产生（Entropy production）。按熵增加原理：ds>=0.等于号对应于可逆过程，大于号对应于不可逆过程。Ds为系统总的熵变。所以就孤立系统而言，若dse=0，ds=dsi>=0，这就是熵增加原理。
2.
在生命活动进行过程中，总是存在着许多不可逆的过程，而我们由上式中（4）可知：生命体之所以能够形成，就必须从外界获得与dsi一样大的负熵流进行相互抵消。生物有机体的生命活动可用下图解释：
图一生命活动图
由上图可知：当生物体在外界得到的负熵流数值如果大于生物体自身所产生的熵，即（|dse|>dsi）时，那么在生命系统中熵变ds<0，整个系统的熵将减少，而系统的有序度将会增加，生命体从有序不断的向更加有序转变，这就表示着生物体正处在生长阶段；但如果负熵的数值恰好和熵产生相等（|dse|=dsi），即熵变ds=0，系统处在一种稳定的有序结构，生物体将进入成熟阶段；若负熵流数值比熵产生的要小（|dse|<dsi），也就是生物体的熵变ds>0,系统的熵增加，生命体就会出现衰老、退化等症状，当熵慢慢增大到最大时，意味着生命体已经步入高度混乱状态，不能继续维持一切正常的生命活动，直至死亡。
S=k (1)
式中w表示系统可能有的微观状态数；k是Boltzmann常数，其值为1.38*10-23J/K.
W个微观状态中，每个微观态中出现的概率为均为1/w，所以（1）式又可化为：
S=-k (2)