熵的本质是什么,在天文学上的定义

Question

如题所述

Answer 1

熵（entropy）指的是体系的混乱的程度，它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义，是各领域十分重要的参量。熵由鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）提出，并应用在热力学中。后来在，克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）第一次将熵的概念引入到信息论中来。

熵是一个极其重要的物理量但却又以其难懂而闻名于世。克劳修斯于1865年首先引入它用来定量地阐明热力学第二定律。后来玻尔兹曼赋予了熵的统计解 释。到了1929年西拉德又将熵与信息联系起来给出了熵的新含义。目前熵不仅广泛出现在自然科学和工程技术各个领域甚至在社会科学人文科学和经 济领域也常会遇到熵的踪迹。由于熵的概念比较抽象隐晦它既广泛的为人们所应用又广泛地被人们滥用。熵到现在还是科学没有弄明白的概念熵和它的本质是 什么熵由什么决定的等微观机制还没有弄明白只给出了宏观统计解释认为概率法制是制约熵的本质。其实热力学和统计物理学是在宏观框架下完成的它并没 有深入微光世界的实质是宏观统计的表现。现代科学也无法给出熵本质的答案因为熵是用热量和热力学温度来定义和度量的而热量的定义就是一个含糊和矛盾 的概念温度又是由热量来定义的所以造成熵概念的不清和混乱甚至产生困惑例如宇宙热寂就困惑科学界到现在无法给出实质性的解答生命赖以负熵生 存这个负熵是什么无人知道。热力学和统计物理学在没有弄清热量的基础上为了解决和动力学的矛盾将自身的研究范围延伸到不可逆过程不但没有深入到 问题的本质反而使理论趋向复杂耗散结构就是其代表。物理学家普遍认为热力学的现象和规律可以回溯到动力学规律加以统一然而如何从时间反演对称的微 观动力学得出宏观的不可逆性以及在宏观领域内热力学是否全面有效还是一个科学尚待澄清和解决的问题。
参考资料：http://baike.baidu.com/view/936.htm

Answer 2

1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。 在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都都适用的一个公式 ：dS=（dQ/T）。证明对于绝热过程Q=0，故S≥0，即系统的熵在可逆绝热过程中不变，在不可逆绝热过程中单调增大。这就是熵增加原理。由于孤立系统内部的一切变化与外界无关，必然是绝热过程，所以熵增加原理也可表为：一个孤立系统的熵永远不会减少。它表明随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态，其熵单调增大，当系统达到平衡态时，熵达到最大值。熵的变化和最大值确定了孤立系统过程进行的方向和限度，熵增加原理就是热力学第二定律。 1948年，香农在Bell System Technical Journal上发表了《通信的数学原理》（A Mathematical Theory of Communication）一文，将熵的概念引入信息论中。热力学第一定律就是能量守恒与转换定律，但是它并未涉及能量转换的过程能否自发地进行以及可进行到何种程度。热力学第二定律就是判断自发过程进行的方向和限度的定律，它有不同的表述方法；克劳修斯的描述①热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，即热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化；开尔文的描述②不可能从单一热源取出热量使之全部转化为功而不发生其他影响；因此第二类永动机是不可能造成的。热力学第二定律是人类经验的总结，它不能从其他更普遍的定律推导出来，但是迄今为止没有一个实验事实与之相违背，它是基本的自然法则之一。由于一切热力学变化（包括相变化和化学变化）的方向和限度都可归结为热和功之间的相互转化及其转化限度的问题，那么就一定能找到一个普遍的热力学函数来判别自发过程的方向和限度。可以设想，这种函数是一种状态函数，又是一个判别性函数（有符号差异），它能定量说明自发过程的趋势大小，这种状态函数就是熵函数。如果把任意的可逆循环分割成许多小的卡诺循环，可得出∑(δQi/Ti)r=0 (1)即任意的可逆循环过程的热温熵之和为零。其中，δQi为任意无限小可逆循环中系统与环境的热交换量；Ti为任意无限小可逆循环中系统的温度。上式也可写成　∮(δQr/T)=0 (2)克劳修斯总结了这一规律，称这个状态函数为“熵”，用S来表示，即dS=δQr/T (3)对于不可逆过程，则可得dS>δQr/T (4)或 dS－δQr/T>0 (5)这就是克劳修斯不等式，表明了一个隔离系统在经历了一个微小不可逆变化后，系统的熵变大于过程中的热温商。对于任一过程（包括可逆与不可逆过程），则有dS－δQ/T≥0 (6)式中：不等号适用于不可逆过程，等号适用于可逆过程。由于不可逆过程是所有自发过程之共同特征，而可逆过程的每一步微小变化，都无限接近于平衡状态，因此这一平衡状态正是不可逆过程所能达到的限度。因此，上式也可作为判断这一过程自发与否的判据，称为“熵判据”。对于绝热过程，δQ=0，代入上式，则dSj≥0 (7)由此可见，在绝热过程中，系统的熵值永不减少。其中，对于可逆的绝热过程，dSj=0，即系统的熵值不变；对于不可逆的绝热过程，dSj>0，即系统的熵值增加。这就是“熵增原理”，是热力学第二定律的数学表述，即在隔离或绝热条件下，系统进行自发过程的方向总是熵值增大的方向，直到熵值达到最大值，此时系统达到平衡状态。

Answer 3

熵的本质是在温度、压力相同条件下，在一定的区域内，物质由高密度向低密度扩散，当物质密度均衡时的密度值就确定为熵。
在天文学上的定义：恒星、星系、星系团由密集向稀疏区域扩散。当恒星、星系、星系团不扩散也不收缩时的宇宙空间物质的密度值，就是天文学的熵。