熵定律

在信息論中，熵被用來衡量一個隨機變量出現的期望值。它代表了在被接收之前，信號傳輸過程中損失的信息量，又被稱為信息熵。信息熵也稱信源熵、平均自信息量。在1948年，克勞德·艾爾伍德·香農將熱力學的熵，引入到信息論，因此它又被稱為香農熵。

熵在生態學中是表示生物多樣性的指標。

熵定律是自然界的最高定律。在等勢面上，熵增原理反映了非熱能與熱能之間的轉換具有方向性，即非熱能轉變為熱能效率可以為100%，而熱能轉變成非熱能時效率則小於100%(轉換效率與温差成正比)，這種規律制約着自然界能源的演變方向，對人類生產、生活影響巨大；在重力場中，熱流方向由體系的勢焓(勢能+焓)差決定，即熱量自動地從高勢焓區傳導至低勢焓區，當出現高勢焓區低温和低勢焓區高温時，熱量自動地從低温區傳導至高温區，且不需付出其他代價,即絕對熵減過程。 ^[2] 

熵概念源於卡諾熱機循環效率的研究，是以熱温商的形式而問世的，當計算某體系發生狀態變化所引起的熵變總離不開兩點，一是可逆過程；二是熱量的得失，故總熵概念擺脱不了熱温商這個原始外衣。當用狀態數來認識熵的本質時，我們通過研究發現，理想氣體體系的總微觀狀態數受宏觀的體積、温度參數的控制，進而得到體系的總熵等於體積熵與温度熵之和(見有關文章)，用分熵概念考察體系的熵變化，不必設計什麼可逆路徑，概念直觀、計算方便(已被部分專家認可)，因而有利於教和學。

熵流是普里戈津在研究熱力學開放系統時首次提出的概念(普里戈津是比利時科學家，因對熱力學理論有所發展，獲得1977年諾貝爾化學獎)，普氏的熵流概念是指系統與外界交換的物質流及能量流 ^[3]  。我們認為這個定義不太精闢，這應從熵的本質來認識它，不錯物質流一定是熵的載體，而能量流則不一定，能量可分熱能和非熱能[如電能、機械能、光能(不是熱輻射)]，當某絕熱系統與外界交換非熱能(發生可逆變化)時，如通電導線(超導材料)經過絕熱系統內，對體系內熵沒有影響，準確地説能量流中只有熱能流(含熱輻射)能引入熵流(對非絕熱系統)。對於實際情形，非熱能作用於系統發生的多是不可逆過程，會有熱效應產生，這時系統出現熵增加，這隻能叫(有原因的)熵產生，而不能叫熵流的流入，因能量流不等於熵流，所以不論什麼形式的非熱能流都不能叫熵流，更不能籠統地把能量流稱為熵流。

1．克勞修斯首次從宏觀角度提出熵概念，其計算公式為：S=Q/T,(計算熵差時，式中應為△Q)

2．波爾茲曼又從微觀角度提出熵概念，公式為：S=klnΩ，Ω是微觀狀態數，通常又把S當作描述混亂成度的量。

3．筆者針對Ω不易理解、使用不便的現狀，研究認為Ω與理想氣體體系的宏觀參量成正比，即：Ω(T)=(T/εT)3/2,Ω(V)=V/εV，得到理想氣體的體積熵為SV=klnΩv=klnV,温度熵為ST=klnΩT=(3/2)klnT ，計算任意過程的熵差公式為△S=(3/2)kln(T'/T)+kln(V'/V),這微觀與宏觀關係式及分熵公式，具有易於理解、使用方便的特點，有利於教和學，可稱為第三代熵公式。

上述三代熵公式，使用的物理量從形式上看具有"直觀→抽象→直觀"的特點，我們認為這不是概念遊戲，是對熵概念認識的一次飛躍。

克勞修斯把熵增原理表述為："熱量不能自動地從低温物體傳向高温物體”，這給人們一個錯覺，外界做功使熱量從低温物體傳到高温物體，或者説使等温體變成不等温體，就意味着發生熵減。這種認識是偏面的，以絕熱房間內放一工作的電冰箱為例，冰箱內温度變低，冰箱外的房間內温度變高，許多人把這外界做功而拉開温差的現象叫做熵減。這種看法是錯誤的，僅就室內的冰箱內外來説，如果考慮了電流的熱效應，這個室內的總熵變化只增不減(不信可計算一下)。外界做功不能使絕熱系統內的熵減少，不論是電能、機械能等非熱能做功(通常不能避免熱效應)都不能使絕熱系統內的熵減少，所以説，我們認為熵增原理準確的表述應為：“在等勢面上，絕熱系統內的熵永不減少”。

地下熱能儲量巨大，相當於全球煤炭儲量的1.7億倍。有人估算，以當今全世界耗能總量計算，即使全部使用地熱能，4100萬年後才能使地球內部的温度下降 1℃。地熱的特點呈內高外低分佈，我們認為(另有論文)它遵循"可壓縮流體的靜力學方程",即勢焓(勢能+焓)平衡規律，當地內勢焓低於地表勢焓時，重力具有云集地表低温熱能向地心轉移的機制，地熱是永恆存在的能源。關於地熱來源問題，人們尚無準確定論，主要有兩種解釋：

1．地球內部的放射性元素蜕變放熱，即原子能；

2．地球在形成初期帶來的熱量。我們對上述解釋的看法是，如果是第一種，有三種情況：

①地熱温度呈外低內高按一定梯度的分佈，那熱源必在地心，這不就是原子彈嗎？後果不堪設想；

②礦物分佈通常遵循"物以類聚"的原則，那麼地球內部的放射性元素分佈(熱源)就會與地熱分佈一致，顯然這不合情理；

③地下温泉或岩漿(石頭)應該裹挾着很強的放射性物質，實際上沒有，所以説地熱的主要來源不可能是放射性元素蜕變。如果是第二種，一是體積收縮擠壓產生；二是本來是高温體，冷卻至今形成熱量梯度分佈，這種可能性是有的。我們認為也有第三種可能，即地球形成時温度是均勻的而又不是十分高温的物質，從45億年前至今，重力將地表低温區熱能向地心轉移，使熱量形成梯度分佈(中心約5000℃)，逐步實現勢焓平衡。

科學家們通過長期對熵理論的研究，提出了“熱環論”（又可稱“熱動論”），完成了恩格斯的遺願。

熱環論指出：可壓縮流體的靜力學方程，即勢焓(勢能+焓)平衡規律指出，在引力場中，相同質量的流質其擁有的勢焓值均為同一常數，這就意味着當流質勢能大時其焓值小(温度低)，相反，當勢能小時其焓值大(温度高)，如果星體中心的勢焓值比外圍低時，引力將迫使外圍低温區熱量向中心高温區傳導轉移，以趨於勢焓平衡。又根據熱輻射定律可知，熱輻射僅由温度決定，不受引力影響。上述兩類因素是熱循環的動力，即熱量在引力的幫助下從低温3k傳導至高温億萬k(太空中或星體內部都存在着温度梯度這個客觀事實)，再以輻射的方式逸散到太空中去，就這樣循環往復以至無窮，這就"熱環論"描述的現象。

以白矮星為例，白矮星內部無熱源發光是因為星體引力能從太空雲集低温熱能。任何星體與太空間都存在着相反的熱循環轉移過程，即使是具有內部熱源的星體也疊加着上述熱循環過程（比如恆星的聚變熱源）。

這就是著名的“熱寂説”...可以看出來，引力同樣可以解釋為“熵增”現象：質量的引力把原來的物質從低温加熱到高温，這個加熱的能量來自物質本身也就是質量的消耗（有可能來自原子核的質量減少，也可能來自電子能級的消耗等因素，下面有分析）。但宇宙的質量一開始怎麼來的？至今還在假設當中，這也就是宇宙的誕生之謎。不過能推斷出的就是：宇宙這些“天生”的質量其實就是“負熵”，宇宙一直都是在“負熵”變“正熵”的過程，即質量消耗而變為熱能的過程，所以宇宙如果還有質量，就不會是我們所説的“死亡終結”，有質量就可以創造熱能，從而獲得非熱能形式的能量。所以質量的引力把原來的物質從低温加熱到高温，並不是違反熱力學第二定律的：“自發性把熱從低温物體轉移到高温物體”，而是消耗了自身獲得熱能，由熵增而變高温的（這也就是我們所使用的所有能量的本源）。而把熱能還原為質量，而不引起其他影響的，才是“絕對熵減”。

原子與原子之間的分隔是因為有電磁力（電磁力是虛光子傳遞產生的），遠離原子核的電子能級高。以地球為例，地球內部物質被高度擠壓，所以經過壓縮，電子“被迫”降低能級，這就會釋放出能量（電子向低能級躍遷，虛光子轉變為光子釋放出來），釋放的能量又被周圍的物質吸收，導致周圍物質的電子能級升高，運動更劇烈，但運動空間被引力限制，所以形成一個“惡性循環”，也可以看成是一個平衡（用來抵禦壓縮，減緩體積縮小速度）：釋放能量，然後吸收，再釋放...逐漸向外圍的低温區域傳遞，代價就是體積會不斷縮小緊密，最終達到一個“度”，產生新的質變。不過如果不是恆星這樣因為引力巨大，已經快速的經過了一次量變與質變的轉化的（由巨大引力實現的內部更高温，造成聚變，也就是觸發了更深層的能量釋放...），其他温和的小天體，比如地球，經歷的這個過程是非常漫長的，這也就導致了來自外界的變數干擾會成為必然，所以僅僅只能理論上成立。