Science 版 (精华区)

发信人: apus (无言), 信区: Science
标  题: 十、 关于提出“熵变论”的建议 
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月27日21:02:48 星期五), 站内信件

关于提出“熵变论”的建议
何沛平
　
关键词：熵、熵变论
摘要：笔者通过回忆传统的熵理论， 提出该理论存在许多不足之处，并分析其原因， 
首先提出用熵变论来完善热力学理论和非热力学群体的理论，文中给出了熵变定律公式
、熵变规律公式、开发能源的思路、新的宇宙观等。
一．熵理论的过去
    普里高津讲过：“什么是熵？ 没有什么问题在科学史的进程中曾被更为频繁地讨论
过”。熵理论的提出已有近150年的历史，在这段时间里，多少仁人志士陷入熵理论的漩
涡中，被搞得晕头转向而不能自拔，尤其对宇宙是如何进入低熵状态的？这个谜牵动了
好几代物理学家和宇宙学家的想象力， 在熵理论的丰碑上铭刻着十几位世界著名科学家
的名字， 其中贡献最大的几位是克劳修斯、玻耳兹曼、普里高津。经典热力学中的熵等
于热温比， 反映的是热量传递方向问题，其熵增原理说明的是能量退化规律， 后来玻
耳兹曼又从分子运动论的角度，用统计的手法给出熵的公式， 确定了熵是反映物质粒子
混乱程度的物理量，而后，熵理论的研究约在100年内没有进展，直至近代的比利时科学
家普里高津引进了熵流的概念， 首开研究开放热力学系统的先河。
   经典热力学研究的是孤立系统，是描述熵增规律的， 体现了能量退化的趋势；近代
热力学研究的是开放系统， 阐述系统与外界伴随熵流可以实现系统内熵减。对于前人熵
理论的研究， 笔者认为仅解决了一部分问题，还存在的问题如：⑴阐述实现熵减的机制
不深刻。⑵ 缺乏对绝对熵减的了解及理论探索，以及用一套理论把熵增、熵减和熵不变
统一起来。
   《熵：一种新的世界观》的著者里夫金和霍华德认为：“熵定律是自然界一切定律中
的最高定律”， 这是熵概念泛化后给熵理论最褒意的评价。该书还认为熵理论不仅在自
然科学方面，如：物理学、化学、地学、 医学、农学、工程技术、宇航、超导、激光、
新能源探索中有所应用， 还运用到社会科学方面如：历史、文艺、哲学、教育、经济以
至神学里， 它将揭示自然科学与社会科学本质的某种内在联系。 熵被许多学者认为是
自然科学与社会科学的交叉点，由于熵概念的泛化， 产生了许多争论的问题，如：⑴ 
什么是熵？ ⑵ 负熵成序吗？ ⑶信息熵在社会学和心理学上的应用为什么令人失望？ 
⑷ 热力学中的熵变的不对称性(只承认熵增，不相信熵减)和泛化后的非热力学系统的熵
变较为对称(熵增和熵减皆存在)的矛盾。上面的两个和本段的四个问题说明，熵理论是
存在问题的， 是需要发展和完善的。
二、熵理论存在问题的原因
１、从热力学方面看
    笔者认为热力学第二定律和耗散结构理论仅是自然界的局部规律，且用数学语言表
达的程度不够到位(表现出过多的语言叙述)，因此，造成热力学难教、难学，需反复认
识。又由于人类对浩瀚的宇宙观察研究受到局限，使人们对认识熵减迟迟下不了结论。

２、从整个群体系统看
    熵理论是研究群体行为规律的理论，随着熵概念的泛化， 表现出惊人的诱惑力被应
用到许多领域， 然而用热温熵和信息熵概念并不能解决象社会、心理等领域的问题，这
就产生了许多问题。 我们知道任何一种理论都有其一定的适用范围，不加限制地推广是
错误的，如何解决这个问题呢？ 笔者认为概念笼统含混是熵理论存在许多问题的主要障
碍， 用含混的概念研究极其庞大的领域是不现实的，按照过去的经验，在研究复杂问题
时， 概念细分是必要而又有效的方法。
    我们要象研究光一样，先对它分色，再按不同频谱分析其特点；又象我们研究人的
特点，把人分为男人和女人、大人和小孩等。 如果我们把熵概念分解，使它适应各种群
体的特点， 那就不至于仍在争论什么是熵这个最起码问题；如果把热力学序和非热力学
序定义清楚， 也就不会争论熵与序的关系。搞清了熵变与哪些因素有关？定量关系如何
？也就能弄清熵增、熵减的变化方向及程度。为了解决这些问题， 笔者认为已经到了构
筑熵理论的总体框架的时候了。为此， 笔者建议用“熵变论”作为这块理论的名称。
三、“熵变论”的提出
１、“熵变论”的内容和用途
    熵变论把一切熵变过程表述为：系统内的熵总有对立的两类，其总熵变等于各单元
熵变的累集之和，其值属于实数，可分为大于零、等于零、小于零三种情形； 在无限的
时空中，总熵变趋于零。
    熵变论的字面意思是熵变化的理论，即研究复杂系统状态变化的学科,具体地说熵变
论是概括群体行为的熵增、熵减和熵不变规律的。 熵变论的用途是建立更完善的热学理
论，完成熵增和熵减的统一，推出正确的宇宙观，给出解决能源的新思路， 以及弄清信
息和各类非热力学群体的变化规律。
２、熵概念的分类及定义
    什么叫熵？有人认为这个概念还不清楚，笔者认为从克劳修斯、 波耳兹曼到申农对
熵的定义是正确的， 所谓不清楚是因为这些定义并不都能表示所有群体的状态，为了解
决这个问题，结合熵概念泛化的倾向， 笔者建议将熵分成热力学熵(S)和非热力学熵(S
′)两大类。例如：
  ┏温度熵
 ┏ 热力学熵------ |体积熵
 | |化学熵
 | ┗构型熵
熵━
 | ┏信息熵
 | |社会熵
 | |心理熵
 ┗非热力学熵)--- |人体熵
  |政治熵
  ┗经济熵
    非热力学熵大多与人有关， 笔者建议用立人旁加商表示非热力学熵，符号为S′(作
者本意是在S上加一横,但打不出来)。
    熵是什么？笔者笼统地把熵定义为：描述群体系统状态复杂程度的物理量,热力学熵
已由前人给出，而非热力学熵将有各自的模型， 这要作具体的定义(作者目前无法给出
)。
３、热力学熵的熵变公式
⑴ 克劳修斯提出的孤立系统熵增原理公式为：
dS>0（不可逆过程), 3-1
⑵ 普里高津提出的开放系统熵变公式为：
dS＝diS＋deS ,3-2
当deS＝0时，diS>0，dS>0
当deS<0,且｜deS｜>diS时，dS<0
⑶ 笔者提出的适用于各种热力学系统的熵变定律为：
    系统内的总熵变等于内部熵变与熵流之和，其值属于实数，可分为大于零(熵增)、
等于零(熵不变)、小于零(熵减) 三种情形。
公式为：dS＝diS＋deS∈R, 3-3
其中diS=dSV(T)+dST(V)
3－3式可分为如下三种情形:
dS＝diS＋deS>0 ,3-4
dS＝diS＋deS＝0, 3-5
dS＝diS＋de〈0 ,3-6
    上式中dS为系统内的总熵变，dSV(T)温度熵变，dST(V)体积熵变，deS熵流。熵流与
热能流、物质流方向是一致的， 流进系统为正，流出系统为负。系统内部的熵diS(过去
称熵产生)分解为温度熵变和体积熵变。
    公式3－3在公式3－1和3－2的基础上有所发展,对它进行分析可出现13种组合关系，
这些关系可反映自然界熵增、熵减、熵不变的全部规律（另文介绍）。目前，熵增和相
对熵减的现象在我们的身边都能找到， 而寻找和认识绝对熵减有一定困难，其原因是天
体的演变对应的时空不便观察。其实引力具有减熵的能力, 引力可以抗衡全体星空的熵
长， 所以说我们不能坐井观天、崇尚热寂、无视宇宙是充满生机和活力的客观现实。
４、非热力学熵的熵变规律
    笔者通过对非热力学系统许多现象的归纳总结(以及按3－3式外推)，提出的熵变规
律为：在同一层次上，系统内的正熵和负熵具有共轭性(既共存又相反的性质)，总熵变
等于正熵、负熵的累加之和(正熵取正值， 负熵取负值)，其结果属于实数，可分为大于
零、等于零、小于零三种情形；对于理想情形，总熵变等于零。表达式如下：
△S′＝∑ni=1△S′(+)(△Xi)＋∑ni=1△S′(-)(△Xi)∈R, 4-1
当系统无限大，时间无限长时：
△S＝∑ni=1△S′(+)(△Xi)＋∑ni=1△S′(-)(△Xi)=0
4－1式中，△S′指系统内的总熵变，等式右边第一项是正熵变的累和，第二项是负熵变
的累和。末状态
S′2＝S′2(+)＋S′2(-)，初状态S′1＝S′1(+)＋S′1(-)，如果仅研究两个状态的熵
变，4－1式可以简写为：△S′＝S′2－S′1＝[S′2(+)＋S′2(-)]－[ S′1(+)＋S′1
(-)]＝[S′2(+)- S′1(+)]＋[S′2(-)-S′1(-)]＝△S′(+)－△ S′(-)，该式展开如
下：
 ┍ 熵增:  △S′(+)>△ S′(-), △ S′>0 ,4-2
 | [S′2(+)- S′1(+)>S′2(-)-S′1(-)]
熵变规律------ |熵减: △S′(+)<△ S′(-),△ S′<0,4-3
[S′2(+)- S′1(+)<S′2(-)-S′1(-)]
 |   △S′(+)=△ S′(-),△S′=0,4-4
 └熵不变:   [S′2(+)- S′1(+)=S′2(-)-S′1(-)]
    在熵变规律公式中，△S′是非热力学熵系统过程的变化量，以社会系统或人体为例
，△S′变大(△S′〉0)，指社会系统的混乱度增加，或人体的健康程度下降；△S′变
小(△S′〈0)指社会系统的混乱度减小，或人体素质趋于健康。 S′(-)是负熵(取负号
)，指有利于系统发展的要素的熵值， 社会负熵的要素如：经济增长率、人均收入增长
率、民主程度、破案率等； 影响人体健康的外部因素的负熵要素如：充足的营养、锻炼
身体程度、良好的生活条件、健康的心理素质等。S′ (+)是正熵(取正号)， 指不利于
系统发展的要素的熵值，社会正熵要素如：犯罪率、离婚率、官员不廉洁度、 自然灾害
损失率等；影响人体健康的外部因素的正熵要素如：营养不良，环境污染、 居住拥挤、
气候炎热等。正熵变减去负熵变即为总熵变值， 总熵变值反映了某一时候社会的混乱度
或人的健康状态，用它可以比较如今年和去年、 这个五年和上个五年的差别，这个差值
从总体上反映了系统的变化方向和程度。
四、对几个问题的看法
1、 熵与序的关系
    负熵成序是在薛定谔的有关著作中介绍的观点， 熵与序是有关系的，但简单地说负
熵成序是不妥的，关于热力学中的序， 以及生物体生长进化的序，甚至于社会秩序的序
， 笔者认为这几种序不是一回事，笔者建议把序分为热力学序和非热力学序两大类， 
只有把各体系的序定义清楚后，并结合突变规律，熵和序的关系就会迎刃而解。笔者建
议，在未解决该问题之前，尽量不把熵和序扯到一起。
2、 熵流的载体是什么？
    普里高津把系统与外界交换的能量、物质叫熵流， 笔者认为这种说法比较含混，不
错，物质流必然引起相应的熵流，物质流是熵流的载体。 但能量流就不一定引起相应的
熵流，因为能量有多种形式，可分为热能与非热能[机械能、电能、光能(不是热辐射)]
，如某绝热系统与外界交换非热能(发生可逆变化)，其体系熵变为零，所以说在能量流
中只有热能流( 含热辐射)是熵流的载体。
3、如何研究象社会、心理、生物等领域的熵变问题
    对于象社会、心理、生物等领域，属“混合型”系统， 不是单纯的物质、能量或信
息问题，笔者认为研究这些领域有两种方法，一是概念剥离，然后用相应的熵公式进行
研究分析，二是对于无法剥离的领域， 先对研究对象的多项参数进行统计，然后拧成一
个综合指数，再进行分析。
4、熵变公式是对立统一规律的定量表述
    熵变论中非热力学熵的熵变公式[△S′＝S′ (+)＋S′ (-)]，体现了事件的变化结
果等于两个既对立又有联系的两项熵变之和， 这种定量关系体现了中国古代的阴阳学说
及哲学中的对立统一规律。 爱因斯坦说过：“熵理论对于整个科学来说是第一法则,”
对立统一规律被公认为是自然界、社会和思维的根本规律，这两种说法不谋而合， 可以
说在群体领域熵变规律是对立统一规律的定量表述。熵变是人类最难认识的规律之一，
 是名符其实的覆盖一切群体领域的最高定律。
5、对能源问题的看法
    根据熵增原理可知，每当我们燃烧一堆煤、一滴油或原子核裂变时，都在增加宇宙
的熵，即每次活动都降低了体系能量的品质，从现实情况看也如此，如果我们用尽矿物
能源又无其它新能源时，人类不就坐守待毙吗？答案是否定的！引力可以实现熵减，如
地球引力能使太阳的热辐射能“聚集”在地下，地热是人类取之不尽的能源，我们可以
通过地下热水利用、温差发电等形式解决能源问题。
6、宇宙中的总熵变应趋于零
    我们现在所处环境从小尺度空间看会自发地熵增，在这种环境中将伴随着能量的退
化，那么，整个宇宙是不是都遵循这样的法则呢？答案是否定的！
    大量事实说明, 宇宙的发展趋势并不越来越无序，相反，整个宇宙生机勃勃，丝毫
没有“死寂”的迹象，即：既没有出现全宇宙的热寂，也不存在如银河系或太阳系的热
寂；再从太阳系看，太阳45亿年的热辐射，并未使地球和其它七大行星热不可耐，相反
太阳系内的空间依然很冷。这些事实充分说明宇宙中一定存在进入低熵的机制，而且这
种机制不是发生在特定的空间或时间，作者研究认为，引力具有减熵的能力，引力是可
以抗衡熵长的。在小尺度空间或水平方向上，每时每刻都在发生着能量的退化，服从热
力学第二定律。而引力充当了相反的角色，在大尺度空间或重力方向上，时刻发生着能
量的进化，使得宇宙既不热寂且熵变也均衡。所以说:从广袤的宇宙空间看，宇宙中的熵
增(热寂)和熵减 (热生)的生死交替在总体上应是平衡的，即宇宙中的总熵变应趋于零。
 人类对自然的认识，唯独宇宙问题具有特殊性， 因为凭人类的能力或许永远也无法考
察和验证全部宇宙的熵变，我们只能依据部分事实和推理来认可它。
　
　
何沛平 江苏省淮阴市电视大学涟水分校
PC：223400
Tel：0517－2321673
E-mail：Lshpp@Public.Hy.Js.Cn

--
                      乡思
                                      李觏
                 人言落日是天涯,
                 望极天涯不见家.
                 已恨碧山相阻隔,
                 碧山还被暮云遮.

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.229.110]