(学术论文)熵:一个不是物理量的概念
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能否尽量通俗地解释什么叫做熵?标签:熵物理学上最高最牛一个字的概念:熵。
熵是什么概念呢?“熵”是一种无序程度的量度,意思是越混乱越无规律熵值就越大,反之熵值越小。
举个例子:一个环境温度20摄氏度,白水温度20摄氏度,蓝钢笔水20摄氏度。
然后把蓝钢笔水滴一滴到白水烧杯中,你将看到慢慢的蓝钢笔水散开了,最后,整个烧杯的白水都变蓝了,而且是均匀的。
熵——就是表达这样一个分布程度的量。
你可以把蓝钢笔水看做是能量,把能量注入系统后,能量向均匀分布方向发展,这时候熵增大。
如果我们把全过程录像后倒着播放(反着播放),就可以看到蓝色在聚集,最后成一滴,这就是熵在减少——这样的情况是不会发生的。
不论正着播放还是反着播放,假设整个过程有60秒,每10秒为一个阶段,我们就有6个状态,熵就是用数字的形式描述这6个状态的量。
生命与负熵热力学第二定律说道,在孤立的热力学系统中,系统的熵永不减少.无数的自然现象都在印证着熵增原理的正确性.生命现象却是个例外,生命是一个总是维持低熵的奇迹。
一个生命,在它活着的时候,总是保持着一种高度有序的状态,各个器官各个细胞的运作井井有条。
其秘诀是它与外界的物质能量交换,即新陈代谢。
新陈代谢的本质是什么呢?答案是:从环境中不断地吸取负熵,生命以负熵为生。
负熵就是熵的对立,熵代表的是无序,而负熵表示的是有序。
熵的概念源自热力学,用于表征系统的无序度(或说混乱度)。
无序度越高,熵越大,系统也越稳定。
在热力学中,无序是指系统所能达到的不同微观状态的数量,因为系统有一个特定的组成、体积、能量、压力和温度。
热力学第二定律表明,孤立系统总是存在从高有序度转变成低有序度的趋势,此即为熵增原理。
例如,打碎的玻璃无法复原、墨水滴入清水中会逐渐分散、鲜花开放会使周围香气四溢。
这些自发过程都是不可逆的,系统的混乱度会变高,即熵会增加。
按照熵的定义,同一种物质在不同状态所具有的熵是以如下的顺序排列:气态>>液态>>固态。
熵值在物理学中的含义熵值,这在物理学里可是个挺奇妙的概念呢。
咱们可以把物理学的世界想象成一个超级大的游乐园。
里面有各种各样的游乐设施,每个游乐设施就像是一个物理系统。
熵值呢,就有点像这个游乐设施的混乱程度。
比如说,一个刚刚被工作人员整理好的旋转木马,木马整整齐齐地排列着,周围的栏杆也干干净净,这时候这个旋转木马系统的熵值就比较低。
为啥呢?因为它很有序啊。
就像我们家里刚收拾完房间,东西都摆放得井井有条,这就是一种低熵的状态。
那熵值高是什么样的呢?还拿这个游乐园来说,要是到了闭园的时候,游客们都走了,游乐设施周围可能到处是垃圾,旋转木马的木马可能被弄得歪七扭八的,这个时候这个旋转木马系统的熵值就变高了。
在物理学里也是一样的,当一个系统变得更加混乱无序的时候,它的熵值就会增加。
从微观的角度来看,熵值和粒子的排列组合有关。
这就好比是一群小朋友在操场上玩耍。
如果小朋友们按照老师的要求,排好队,手拉手围成一个圈,这就像是一种有序的微观状态,对应的熵值就比较低。
可是如果老师说自由活动,小朋友们就开始满操场乱跑,一会儿这个在这儿,一会儿那个在那儿,各种不同的位置组合就出现了,这种杂乱无章的状态就像是微观粒子的无序状态,熵值也就升高了。
再说说能量在熵值里的作用吧。
能量就像是这个游乐园里的电力系统。
当电力系统正常工作的时候,游乐设施能够按照一定的规律运行,就像物理系统里能量分布比较有序的时候,熵值可能比较低。
但是如果电力系统出了故障,游乐设施就会乱套,有的可能突然停止,有的可能不受控制地乱动,整个游乐园就变得混乱不堪,这就像是能量分布变得无序,熵值也就增大了。
熵值这个概念在很多物理现象里都能体现出来。
比如说热传递。
热总是从高温物体传向低温物体,就像水往低处流一样自然。
高温物体的粒子运动比较剧烈,比较无序,就像是一群调皮捣蛋的孩子。
当热量传递到低温物体的时候,低温物体的粒子运动也开始变得无序起来,整个系统的熵值就增加了。
什么是熵,如何通俗地理解熵的含义“熵”这个概念,最早是在热力学领域提出来的,是表示物质混乱程度的一个物理量。
但是,由于“熵”这个物理量不像“温度”、“压力”这些物理量,可以通过现有技术直接测量出来,这就使得“熵”这个概念很抽象,无法直观理解。
那么,究竟什么是“熵”,如何通俗地理解“熵”?试想这样一个场景,在一个静止、透明、密闭的容器内,有一群小蚂蚁。
从远处看,这群蚂蚁整体上处于一种静止状态。
但是当我们走近观察,每只蚂蚁都在不停的运动当中。
当我们慢慢地加热这个容器时,蚂蚁们因为受热,运动速度逐渐加快,并且每只蚂蚁都被“烧”的晕头转向,慌不择路,运动行为越来越混乱。
这时的蚁群非常混乱,可以认为混乱度很大。
相反,当我们冷却这个容器时,随着温度降低,蚂蚁们的运动越来越缓慢,不再晕头转向、慌不择路,蚁群混乱度也越来越小。
当温度低至某一温度时,蚂蚁们甚至会被“冻”在原地,不再运动。
这时,可以认为蚁群“没有一丝混乱”。
这个蚁群的混乱程度,就可以理解为“熵”;或者说,可以用“熵”这个概念来衡量。
当加热容器时,蚂蚁的运动越来越混乱,我们可以认为蚁群的“熵”越来越大;当冷却容器时,蚂蚁的运动越来越缓慢,混乱度越来越小,可以认为蚁群的“熵”越来越小。
当每只蚂蚁都被“冻”在原地时,可以认为蚁群的“熵”为零。
现在,将蚁群换成某种物质,气体、液体、固体都可以,将每只蚂蚁换成物质的分子、原子。
蚁群的“熵”就变成了热力学上的“熵”。
物质吸热,本身的分子或原子就会像蚁群的小蚂蚁一样,运动越来越剧烈,混乱度越来越高,物质的“熵”就会增加;物质放热,本身的“小蚂蚁”(分子或原子)运动的就会越缓慢,混乱度降低,物质的“熵”就会减少。
而能够将物质的“小蚂蚁”(分子或原子)冻住不动的温度,就是著名的“绝对零度”即-273.15℃,一个只存在于理论上的温度点,在这个温度以下,物质的“熵”为零。
这就是“熵”的通俗理解方式。
随着人类的认知拓展,发现“熵”这个概念不仅仅可以用在热力学上,还可以涵盖其他的领域,特别是信息“熵”的提出,大大扩展了“熵”的应用范围。
熵的简单解释-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在物理学和信息论中,熵是一种描述系统无序程度或混乱程度的数学量。
它在热力学领域中起源于对能量转化和传递过程的研究,后来被引入到通信和信息处理领域中。
熵的概念最早由克劳修斯·拜依乌斯于19世纪提出,他将熵定义为系统的热力学态的一个函数。
简单来说,熵可以视为衡量能量在系统中的分布方式的一种指标。
当系统的能量均匀分布时,熵较低;而当能量分布不均匀时,熵较高。
在信息论中,熵被引入用来度量信息的不确定性。
这里的熵可以理解为信息的平均信息量或信息量的期望。
当一个事件具有确定性时,它所携带的信息量为0;而当一个事件具有较高的不确定性时,它所携带的信息量较大。
总之,熵是一个关于系统有序性或信息不确定性的度量。
它不仅在物理学和信息论中具有重要意义,还在其他许多学科领域中有着广泛的应用,如统计学、生态学、经济学等。
在接下来的文章中,我们将探讨熵的计算方法以及它在不同领域中的应用。
文章结构部分的内容应该包括对整篇文章的组织和内容进行简要介绍。
以下是对"文章结构"部分的内容的编写示例:"1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分来讲解熵的概念和应用。
在引言部分,我们将对整篇文章的主题进行概述,并介绍文章的结构和目的。
正文部分将进一步探讨什么是熵以及熵的计算方法。
结论部分将对文章进行总结,并展示熵的应用领域。
通过这样的结构,读者可以逐步了解熵的概念与计算方法,并了解到熵在现实生活中的实际应用。
接下来,我们将开始正文部分,详细介绍什么是熵及其计算方法。
"文章1.3 目的部分的内容:目的:本文的目的是为读者提供一个简单易懂的解释,通过介绍熵的概念和计算方法,使读者对熵有一个基本的了解。
熵是信息理论中一个重要的概念,它可以用于衡量系统的混乱程度和不确定性。
通过解释熵的概念和计算方法,读者可以更好地理解信息论中的相关概念,同时也可以将熵应用到其他领域中。
本科毕业论文论文题目:热学中熵概念的引入与讨论学生姓名:王瑨学号:200600910090专业:物理学指导教师:李健学院:物理与电子科学学院2010年5月20日毕业论文(设计)内容介绍论文(设计)题目热学中熵概念的引入与讨论选题时间2010-1-10 完成时间2010-5-20 论文(设计)字数9000关键词熵,熵增加原理,热力学第二定律论文(设计)题目的来源、理论和实践意义:题目来源:基础研究。
理论意义:熵是物理学中的一个基本概念,是用来描述和研究自然界中广泛存在的运动形式转化的不可逆性的一个极其重要的概念。
从1846年克劳修斯在热力学中引入熵的概念到如今已经有160多年的历史,但是在它提出160多年的期间,如何理解熵的含义及本质,如何计算不同情况下熵的大小等方面仍有许多课题需要深入研究。
实践意义:随着物理学的发展,人们对熵的认识更加深入了,也更加拓宽了。
而今它已经成为各门科学技术甚至是某些社会科学的重要概念,它渗透在自然过程和人类生活的各个方面,蕴含了极其丰富的内容。
论文(设计)的主要内容及创新点:主要内容:论文比较具体的介绍了熵的由来、意义和用途。
从熵的概念、熵的深化和熵的泛化等方面介绍了熵,其中熵的概念包含对熵概念由来的阐述和对熵概念的辨析;熵的深化包括对熵增加意义的解释、熵是系统状态概率的量度的解释以及熵的无序量度的深化;熵的泛化介绍了熵在现实生活各个方面的应用及推广。
创新点:通过对熵概念的深入介绍,对熵进行了深化和泛化的介绍,说明了熵在实际中的意义。
附:论文(设计)本人签名:2010年5月20日目录一、引言 (1)二、熵的概念 (2)2.1熵概念的引入 (2)2.2 熵概念的建立 (2)2.3 熵增加原理 (3)2.4 熵概念的发展 (3)三、熵的深化 (5)3.1 熵增加意味着能的贬值 (5)3.2 熵是系统状态概率的度量 (6)3.3 熵是无序度的度量 (7)四、熵的泛化 (8)4.1 熵与信息论 (8)4.2熵与耗散理论 (9)4.3熵与气象学 (9)4.4熵与宇宙学 (9)4.5熵与生命科学 (10)五、熵的总结 (10)参考文献: (11)热学中熵概念的引入与讨论王瑨(山东师范大学物理与电子科学学院,济南,250014)摘要:熵是一个重要的物理概念。
熵的名词解释熵,作为一个在热力学和信息理论中经常被用到的概念,被广泛解释为混乱、无序或者不确定性的度量。
然而,这样的解释并不能完全揭示熵的真正含义。
事实上,熵在科学和哲学领域中具有更深层次的意义。
1. 熵在热力学中的理解在热力学中,熵通常被视为系统的无序程度。
简单来说,它与系统中微观粒子的排列情况有关。
当粒子均匀分布时,熵较低,表示系统较有序;相反,当粒子分布不均匀时,熵较高,表示系统较无序。
这种理解使得熵成为了衡量热力学系统状态的重要指标。
然而,这种与无序和有序的关联并不能解释熵在其他领域中的应用。
2. 熵在信息理论中的理解在信息理论中,熵用于描述信息的缺乏程度。
当信息具有较高的熵时,表示信息中包含了大量的不确定性和随机性;相反,当信息具有较低的熵时,表示信息较为确定和有序。
这种理解使得熵成为了衡量信息量和信息质量的重要工具。
然而,信息的熵与热力学的熵之间并没有直接的联系,这使得人们对熵的真正本质产生了疑问。
3. 熵在更广泛的语境中的含义除了在热力学和信息理论中的应用外,熵在其他领域中也具有重要的意义。
在生态学中,熵被用于描述生态系统的退化和无序程度。
随着生态系统中的能量流逐渐减少,熵会增加,从而导致生态系统的不稳定。
在社会学和经济学中,熵被用于描述社会、经济系统的复杂性和混乱程度。
当社会或经济系统中的信息流失控制时,熵将增加,预示着系统的不稳定性。
在哲学领域中,熵也被用作对人类存在的一种评判。
在熵增加的过程中,事物不可避免地向着混乱、无序的方向发展,这也反映了人类社会与个体生命的一种普遍趋势。
所以,熵也被解释为人类努力追求秩序和稳定的难题。
总结:熵作为一个多学科的概念,不仅仅代表了无序、混乱和不确定性的度量,还包含了更深层次的含义。
无论是在热力学、信息论,还是在生态学、社会学中,熵都是一个关键的概念。
它帮助我们理解事物背后的规律,并揭示了宇宙的发展趋势。
熵的多重含义使得我们更加深入地思考生活和自然界的本质,并更好地应对变化和不确定性。
熵熵shāng〈名〉物理名词,用热量除温度所得的商,标志热量转化为功的程度[entropy]物理意义:物质微观热运动时,混乱程度的标志。
热力学中表征物质状态的参量之一,通常用符号S表示。
在经典热力学中,可用增量定义为dS=(dQ/T),式中T为物质的热力学温度;dQ为熵增过程中加入物质的热量。
下标―可逆‖表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。
若过程是不可逆的,则dS>(dQ/T)不可逆。
单位质量物质的熵称为比熵,记为s。
熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。
热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律,有下述表述方式:①热量总是从高温物体传到低温物体,不可能作相反的传递而不引起其他的变化;②功可以全部转化为热,但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功(即无法制造第二类永动机);③在孤立系统中,实际发生的过程总使整个系统的熵值增大,此即熵增原理。
摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热,使熵增加。
热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T2)物体,高温物体的熵减少dS1=dQ/T1,低温物体的熵增加dS2=dQ/T2,把两个物体合起来当成一个系统来看,熵的变化是dS=dS2-dS1>0,即熵是增加的。
◎物理学上指热能除以温度所得的商,标志热量转化为功的程度。
◎科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量(liàng)度,某些物质系统状态可能出现的程度。
亦被社会科学用以借喻人类社会某些状态的程度。
◎在信息论中,熵表示的是不确定性的量度。
只有当你所使用的那个特定系统中的能量密度参差不齐的时候,能量才能够转化为功,这时,能量倾向于从密度较高的地方流向密度较低的地方,直到一切都达到均匀为止。
正是依靠能量的这种流动,你才能从能量得到功。
江河发源地的水位比较高,那里的水的势能也比河口的水的势能来得大。
由于这个原因,水就沿着江河向下流入海洋。
要不是下雨的话,大陆上所有的水就会全部流入海洋,而海平面将稍稍升高。
熵简单解释熵(entropy)是一个非常重要的概念,在热力学、信息论、统计物理学等领域都有广泛的应用。
然而,对于普通人来说,熵是一个非常抽象的概念,很难理解。
本文将尝试用尽可能简单的语言,解释熵的概念和意义。
1. 熵的定义熵最早是由德国物理学家克劳修斯(Rudolf Clausius)在19世纪提出的。
他把熵定义为一个系统的无序程度,也就是系统的混乱程度。
熵越大,系统越混乱,熵越小,系统越有序。
这个定义非常直观,但是也有一些问题,因为它没有明确说明“无序”和“有序”是什么意思。
后来,美国物理学家布里丹(Ludwig Boltzmann)提出了更加精确的定义。
他把熵定义为系统的微观状态数的对数。
也就是说,如果一个系统有N个微观状态,那么它的熵就是lnN(其中ln是自然对数,以e为底的对数)。
这个定义比较抽象,但是它更加准确地描述了熵的本质。
2. 熵的意义熵的意义非常重要,因为它涉及到了自然界的基本规律。
熵是一个系统的混乱程度,也就是说,它描述了系统的无序程度。
这个无序程度与能量转化的效率有关系。
例如,如果一个发动机的熵越小,那么它的能量转化效率就越高。
这是因为熵越小,系统越有序,能量转化的过程就越容易进行。
相反,如果熵越大,系统越混乱,能量转化的效率就越低。
熵的意义还涉及到了自然界的趋势。
根据热力学第二定律,一个孤立系统的熵总是趋向于增加。
也就是说,自然界的趋势是朝着混乱和无序的方向发展的。
这个趋势是不可逆转的,因为熵的增加是一个热力学过程,它需要能量的输入才能逆转。
3. 熵的计算熵的计算需要知道系统的微观状态数。
微观状态是指系统中每一个粒子的状态,包括它的位置、速度、自旋等等。
对于一个大的系统来说,微观状态数是非常巨大的,通常是以指数形式增长的。
因此,熵的计算非常困难,需要借助于统计物理学的方法。
统计物理学是一门研究系统微观状态和宏观性质之间关系的学科。
它的基本假设是,一个系统的微观状态是随机的,所有可能的微观状态出现的概率是相等的。
熵及熵增加的概念及意义摘 要:熵是热学中一个及其重要的物理概念。
自从克劳修斯于1865年提出熵概念以来,由于各学科之间的相互渗透,它已经超出物理学的范畴。
本文从熵的概念出发,简述了熵的概念和意义及熵增加的概念和意义,促进我们对熵的理解。
关键词:熵;熵概念和意义;一. 熵概念的建立及意义1.克劳修斯对熵概念的推导最初,克劳修斯引进态函数熵,其本意只是希望用一种新的形式,去表达一个热机在其循环过程所必须的条件。
熵的最初定义建立于守恒上,无论循环是否理想,在每次结束时,熵都回到它最初的数值。
首先将此过程限于可逆的过程。
则有0d =⎰T Q图1-1 闭合的循环过程 公式0d =⎰T Q 的成立,足以说明存在个态函数。
因此,对于任意一个平衡态,均可引入态函数——熵:从状态O 到状态A ,S 的变化为 ⎰=-A O T Q S S d 0 S 为一个常数,对应于在状态O 的S 值。
对于无限小的过程,可写上式为pV可逆)d (d T Q S = 或 可逆)d (d Q S T =在这里的态函数S 克劳修斯将其定义为熵。
不管这一系统经历了可逆不可逆的变化过程,具体计算状态A 的熵,必须沿着某一可逆的变化途径。
这里不妨以理想气体的自由膨胀为例来说明这一点。
设总体积为2V 的容器,中间为一界壁所隔开。
图1-2 气体的自由膨胀初始状态时,理想气体占据气体为1V 的左室,右室为真空气体2V 。
然后,在界壁上钻一孔,气体冲入右室,直到重新达到平衡,气体均匀分布于整个容器为止。
膨胀前后,气体温度没有变化,气体的自由膨胀显然是一个不可逆的问题。
对于此过程,是无法直接利用公式(1-1)来计算熵的变化的。
但为了便于计算,不一定拘泥于实际所经历的路线。
不妨设想一个联系初、终状态的可逆过程,气体从体积1V 扩展到2V 得等温膨胀。
在此过程中,热量Q 全部转化为功W 。
⎰⎰===TW T Q Q T T Q d 1d ⎰⎰===∆V P V V T T W T Q S d 1d 2112ln V V nR = 计算中引用了理想气体状态方程pV nRT NkT 时至今日,科学的发展远远超出了克劳修斯当时引进熵的意图及目标。
“熵”在生活中的体现和应用在学习大学物理之前,作为一名标准意义上的文科生,“熵”这个名词对我来说确实尤为陌生。
但在对熵进行了一段时间的了解和学习之后,我发现这是一个充满意义,又不难在生活中感受到和理解到的物理(或超出物理范畴的)概念。
这确实十分有趣,对我学习物理提供了兴趣。
先来说说熵的一些基本概念吧。
从百科上的解释来看,熵在物理学上指热能除以温度温度所得的商,标志着热量转化为功的程度——从语文角度来看,熵这个字的构词方式就很好的体现了这一点。
当然,从更广义上来讲,熵用来描述一种不确定程度的函数,在社会学中被引伸为人类社会某些状态的程度。
简单来说,熵是表示物质系统状态的一种度量,用以表示系统的无序程度。
熵越大,就意味着系统越无序,意味着系统结构和运动的不确定性和无规则性;而熵越小,系统就越有序,系统也就越具有确定和规则的运动状态。
看起来,这种抽象的解释仍旧有些难以理解,不过结合熵在实际例子中的体现和应用,也许就好得多。
比如,我们的生活中随时随地会产生许多的垃圾,如果我们不去主动处理这些垃圾,那么要不了多久,我们的周边环境就会变成一个彻彻底底的垃圾场。
在这个过程中,垃圾的变多就是熵在增加的过程,由于垃圾的变多,我们的生活会大受影响,这就是熵的增多所带来的后果——更无序,更杂乱。
再换句话说,当纯物质(我们干净整洁的生活环境)掺入杂质(垃圾),熵就会变大,那么这个体系就会变得杂乱而无序。
这就是熵在生活中的一个典型实例,也是我对熵在广义社会学中的意义所作出的个人理解。
根据科学研究,可以明确的一点是物质世界的总体趋势是熵在越变越大,换句话说,我们的世界如果没有人为的能量进行干涉,就会变得越来越不纯净,越来越杂乱。
事实上,这也是很多环境问题产生的根本原因。
我们人为力量的介入不够强大,不足以使熵停止增长,所以环境越来越杂乱,问题越来越严重。
因此,对于熵的研究是十分必要的。
当然,熵的增加未必是一件坏事。
因为这会使我们的生活更加多元化,富有更多的更多的选择。