环境熵变

热力学第二定律总结

第三章 热力学第二定律总结 核心内容： 不可逆或自发 02 1 < > -+ =?+?=?? amb r amb iso T Q T Q S S S δ 可逆或平衡 不可能 对于恒T 、V 、W ˊ=0过程： 不可逆或自发 0)(0,,> < ?-?=-?==?'S T U TS U A W V T 可逆或平衡 反向自发 对于恒T 、p 、W ˊ=0过程： 不可逆或自发 0)(0,,> < ?-?=-?=?='S T H TS H G W p T 可逆或平衡 反向自发 主要内容：三种过程（单纯pVT 变化、相变、化学反应）W 、Q 、ΔU 、ΔH 、△S 、△A 、△G 的计算及过程方向的判断。 一、内容提要 1、热力学第二定律的数学形式 不可逆或自发 ?<>?21T Q S δ 可逆或平衡 不可能 上式是判断过程方向的一般熵判据。将系统与环境一起考虑，构成隔离系统则上式变为： 不可逆或自发 02 1 < > -+ =?+?=?? amb r amb iso T Q T Q S S S δ 可逆或平衡 不可能

上式称为实用熵判据。在应用此判据判断过程的方向时，需同时考虑系统和环境的熵变。 将上式应用于恒T 、V 、W ˊ=0或恒T 、p 、W ˊ=0过程有： 不可逆或自发 0)(0,,> < ?-?=-?==?'S T U TS U A W V T 可逆或平衡 反向自发 此式称为亥姆霍兹函数判据。 不可逆或自发 0)(0,,> < ?-?=-?=?='S T H TS H G W p T 可逆或平衡 反向自发 此式称为吉布斯函数判据。 熵判据需同时考虑系统和环境，而亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据只需考虑系统本身。熵判据是万能判据，而亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据则是条件判据（只有满足下角标条件时才能应用）。 此外，关于亥姆霍兹函数和吉布斯函数，还有如下关系： r T W A =? r V T W A '=?, r p T W G '=?, 即恒温可逆过程系统的亥姆霍兹函数变化等于过程的可逆功；恒温恒容可逆过程系统的亥姆霍兹函数变化等于过程的可逆非体积功；恒温恒压可逆过程系统的吉布斯函数变化等于过程的可逆非体积功。 下面将△S 、△A 和△G 的计算就三种常见的过程进行展开。 2、三种过程（物质三态pVT 变化、相变、化学反应）△S 、△A 和△G 的计算 （1）物质三态（g 、l 或s 态）pVT 变化（无相变、无化学反应）

熵的应用和意义

浅谈熵的意义及其应用 摘要：介绍了熵这个概念产生的原因，以及克劳修斯对熵变的定义式；介绍了玻尔兹曼从微观角度对熵的定义及玻尔兹曼研究工作的重要意义；熵在信息、生命和社会等领域的作用；从熵的角度理解人类文明和社会发展与环境的关系。 关键词：克劳修斯熵玻尔兹曼熵信息熵生命熵社会熵 0 前言：熵是热力学中一个非常重要的物理量，其概念最早是由德国物理学家克劳 修斯（R.Clausius）于1854年提出，用以定量阐明热力学第二定律，其表达式为 dS=(δQ/T)rev。但克劳修斯给出的定义既狭隘又抽象。1877年，玻尔兹曼（L.Boltzmann）运用几率方法，论证了熵S与热力学状态的几率W之间的关系，并由普朗克于1900给出微观表达式S=k logW,其中k为玻尔兹曼常数。玻尔兹曼对熵的描述开启了人们对熵赋予新的含义的大门，人们开始应用熵对诸多领域的概念予以定量化描述，促成了广义熵在当今自然及社会科学领域的广泛应用【1】【2】。 1 熵的定义及其意义 由其表达式可知，克劳修克劳修斯所提出的熵变的定义式为dS=(δQ/T)rev ， 斯用过程量来定义状态函数熵，表达式积分得到的也只是初末状态的熵变，并没有熵的直接表达式，这给解释“什么是熵”带来了困难。【1】直到玻尔兹曼从微观角度理解熵的物理意义，才用统计方法得到了熵的微观表达式：S=k logW。这一公式对应微观态等概出现的平衡态体系。若一个系统有W个微观状态数，且出现的概率相等，即每一个微观态出现的概率都是p=1/W，则玻尔兹曼的微观表达式还可写为：S=-k∑plogp。玻尔兹曼工作的杰出之处不仅在于它引入了概率方法，为体系熵的绝对值计算提供了一种可行的方案，而且更在于他通过这种计算揭示了熵概念的一般性的创造意义和价值：上面所描述的并不是体系的一般性质量和能量的存在方式和状态，而是这些质量和能量的组构、匹配、分布的方式和状态。 玻尔兹曼的工作揭示了正是从熵概念的引入起始，科学的视野开始从对一般物的质量、能量的研究转入对一般物的结构和关系的研究，另外，玻尔兹曼的工作还为熵概念和熵理论的广义化发展提供了科学依据。正是玻尔兹曼开拓性的研究，促使熵概念与信息、负熵等概念联姻，广泛渗透，跨越了众多学科，并促

三体有感-从熵看文明发展的风险

从熵看文明发展的风险 再先进的文明，都有他的弱点，从进化论我们知道，进化本质上是为更好适应环境做出选择，是一种在那种环境下生存繁殖而不得放弃什么和强化什么的选择，任何文明，只要存在进化机制，他们的弱点就是环境变化，在另一个完全不同的环境中，他们已有的进化机制可能不再是优点，不再有利于生存和繁殖，三体也是一样，当他们来到地球，地球人的这种欺骗策略机制是他们祖先早就淘汰的机制（这好比天花病毒，通过人类多代免疫疫苗，天花已经无法在人类中继续传播，这是人类利用科学技术解决环境问题的例子，在天花方面，人类已经不需要这种免疫机制了，1979年10月26日联合国世界卫生组织在肯尼亚首都内罗毕宣布，全世界已经消灭了天花病，并且为此举行了庆祝仪式。目前，世界上有两个戒备森严的实验室里保存着少量的天花病毒，它们被冷冻在-70 ℃的容器里，等待着人类对它们的终审判决。这两个实验室一个在俄罗斯的莫斯科，另一个在美国的亚特兰大。世界卫生组织于1993年制定了销毁全球天花病毒样品的具体时间表，后来这项计划又被推迟。因为病毒学家和公共卫生专家们在如何处理仅存的天花病毒的问题上发生了争论：是彻底消灭，还是无限期冷冻? 但如果环境发生变化，天花再次出现，我们前期的机制将不再有利于我们生存，也就是过度依赖医学技术不一定是好事，好比我们不能过度依赖人工智能一样，过度依赖外在

条件，适应环境变化能力也越弱，这在熵原理已被证实，宇宙中的自然状态是无序化，有序必定是有能量维持，如果没有能量维持，所有事物最终将归结均衡无序，例如万有引力维持星体运行有序，法律警察维持社会有序，打扫卫生维持房间物品有序，食物水维持身体器官机能有序等，越是远离无序，需要的能量越大，现代人类生存环境已经高度有序了，每天吃饭时间规律，睡觉安全规律，情绪也难有较频繁的波动，生活稳定安康，而我们祖先，完全不具备这些保障，而这些有序，是依靠大量能量维持的，我们现代人均消耗各种能源和能量远大于祖先，可以预见，未来人类需要更多的能量维持更有利于自身生存繁殖的有序，这种高度反熵（降熵）机制越进化，适应变化越脆弱，维持能量发生中断，能量传递途径发生变化，有序间存在冲突等都会产生灭亡危机，例如，我们地球上已知的资源以我们目前消耗速度，再过几百年后将消耗完毕，如果那时人类还没有进化出更高效的机制维持熵（降熵），人类将灭亡或采取其他适应机制进化。 环境如何变化不是我们所能决定的，这在高等文明中是否有效不得而知（如果能决定那肯定要消耗大量能量维持，宇宙是熵增机制）。随着科学技术进一步发展，我们可以预见人类还会解决更多的疾病，可以在未来，我们也不需要发烧、咳嗽等机制了，目前我们已经不需要脂肪大量储存机制，我们用外在的食物稳定保障概率逐步淘汰自身应对变化的脂肪储存机制。三体随着科学技术发展，欺骗机制已经无法获得利益，所以这种机制就淘汰了，我们人类虽然也进化出

物理化学重点超强总结归纳

第一章热力学第一定律 1、热力学三大系统： （1）敞开系统：有物质和能量交换； （2）密闭系统：无物质交换，有能量交换； （3）隔绝系统（孤立系统）：无物质和能量交换。 2、状态性质（状态函数）： （1）容量性质（广度性质）：如体积，质量，热容量。 数值与物质的量成正比；具有加和性。 （2）强度性质：如压力，温度，粘度，密度。 数值与物质的量无关；不具有加和性，整个系统的强度性质的数值与各部分的相同。 特征：往往两个容量性质之比成为系统的强度性质。 3、热力学四大平衡： （1）热平衡：没有热隔壁，系统各部分没有温度差。 （2）机械平衡：没有刚壁，系统各部分没有不平衡的力存在，即压力相同 （3）化学平衡：没有化学变化的阻力因素存在，系统组成不随时间而变化。 （4）相平衡：在系统中各个相（包括气、液、固）的数量和组成不随时间而变化。 4、热力学第一定律的数学表达式： ?U = Q + W Q为吸收的热（+），W为得到的功（+）。

12、在通常温度下，对理想气体来说，定容摩尔热容为： 单原子分子系统 ,V m C =32 R 双原子分子（或线型分子）系统 ,V m C =52R 多原子分子（非线型）系统 ,V m C 6 32 R R == 定压摩尔热容： 单原子分子系统 ,52 p m C R = 双原子分子（或线型分子）系统 ,,p m V m C C R -=,72 p m C R = 多原子分子（非线型）系统 ,4p m C R = 可以看出： ,,p m V m C C R -= 13、,p m C 的两种经验公式：,2p m C a bT cT =++ （T 是热力学温度，a,b,c,c ’ 是经 ,2' p m c C a bT T =++ 验常数，与物质和温度范围有关） 14、在发生一绝热过程时，由于0Q δ=，于是dU W δ= 理想气体的绝热可逆过程，有：,V m nC dT pdV =- ? 22 ,11 ln ln V m T V C R T V =- 21,12ln ,ln V m p V C Cp m p V ?= ,,p m V m C pV C γγ=常数 =>1. 15、-焦耳汤姆逊系数：J T T =( )H p μ??- J T μ-＞0 经节流膨胀后，气体温度降低； J T μ-＜0 经节流膨胀后，气体温度升高； J T μ-=0 经节流膨胀后，气体温度不变。 16、气体的节流膨胀为一定焓过程，即0H ?=。 17、化学反应热效应：在定压或定容条件下，当产物的温度与反应物的温度相同而在反应过程中只做体积功不做其他功时，化学反应所 吸收或放出的热，称为此过程的热效应，或“反应热”。 18、化学反应进度：()()() n B n B B ξ ν-= 末初 （对于产物v 取正值，反应物取负值） 1ξ=时，r r m U U ξ ??= ，r r m H H ξ ??= 19、（1）标准摩尔生成焓（0 r m H ?）：在标准压力和指定温度下，由最稳定的单质生成单位物质的量某物质的定压反应热，为该物质的 标准摩尔生成焓。 （2）标准摩尔燃烧焓（0 c m H ?）：在标准压力和指定温度下，单位物质的量的某种物质被氧完全氧化时的反应焓，为该物质的标 准摩尔燃烧焓。 任意一反应的反应焓0 r m H ?等于反应物燃烧焓之和减去产物燃烧焓之和。 20、反应焓与温度的关系-------基尔霍夫方程

生命过程与生物熵

生命过程与生物熵 作者：马远新安虎雁毛莉萍 【摘要】利用耗散结构理论通过生物熵在生命过程的变化分析，建立了正常生命过程的生物熵变数学模型，并对模型的数值变化进行了分析，探讨了生命过程中负熵流与熵增的变化趋势以及原因。 【关键词】生物熵；耗散结构；生命过程 1864年法国物理学家克牢修斯提出了一个物理量和新函数——熵，熵是热力学系统的态函数，在绝热系统中熵变永远不会为负。统计物理学研究表明,熵就是混乱度的量度。20 世纪60 年代,比利时普利高津提出了耗散结构理论（把那些在非平衡和开放条件下通过体系内部耗散能量的不可逆过程产生和维持的时-空有序结构称为耗散结构）,将熵推广到了与外界有能量交换的非平衡态热力学体系。熵的内涵不断扩大,逐渐形成了热力学熵,黑洞熵、信息熵等概念［1］。这种广义熵的提出, 阐明了非平衡态与平衡态热力学体系熵的本质是一致的,均受熵定律支配,从而也揭示了物理系统与生命系统的统一性［2］。 各生命体的生命活动过程是具有耗散结构特征的、开放的非平衡系统, 生命现象也与熵有着密切关系, 生命体和一切无机物的一个根本区别是它具有高度有序性。根据这一特点用“熵”来描述生命是较

为恰当的。引入广义熵的概念来度量生命活动过程的质量, 称为生物熵。本研究将耗散结构理论用于生命过程的研究,建立了生物熵随年龄正常变化的宏观数学模型, 用以描述生命过程的熵变。 1 生命的自组织过程中的公式模拟 一个无序的世界是不可能产生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方向，与孤立系统向熵增大的方向恰好相反，可以说生物进化是熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。但是生命体是"耗散结构"，耗散结构认为一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态，这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的。生命体通过不断与外界交换物质、能量、信息和负熵，可使生命系统的总熵值减小,从而有序度不断提高,生命体系才得以动态地发展。生物进化是个熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。 一个系统由无序变为有序的自然现象称为自组织现象。自组织现象可以通过下面过程说明：

理想气体混合熵的计算

理想气体混合熵 求混合过程的熵变，原则是把混合前的每种气体看成子体系， 混合后的体系 为总体系，总体系的混合熵等于各子体系混合熵变之和 ，AS 总=工△子。 为了讨论方便，我们先看两种理想气体的混合过程。 B(g)(nB,pB,VB,TB)。 抽开隔板，开始混合，混合后的总体系，其状态(终态)为n=nA + nB, V=VA + VB 。现在还有T 和p 不知道。 先求T 。一般混合，可以看成绝热过程，即 AB 只是互相交换能量，而与环 境没有能量(热量)的交换。所以， A 气体放的热量，等于B 气体吸收的热量, 反之亦然。 设混合后的体系的温度为T _ nACp.m (A )(T - T A ) - _ T B ) nRT P 二 --------- 求出T 之后，据 1 ，可以计算出混合后总体系的压强。求出总压 强之后，再根据分压定律，求出气体 A 和B 在总体系中的分压强PA '和PB : 加 Cpm(⑷％ + HB C"⑻ T E 设有两种气体A(g)、 A(g)(nA,pA,VA,TA)和 现在就可以求混合熵了: 幻+勿

从此式中，可以看出，二组分理想气体的混合熵，是各自pVT 变化熵的加 和。 特别是，化学反应中的混合，常常是等温等压条件下的混合，即混合前后子 体系与总体系的温度和压强均不发生变化，这种情况下求混合熵就更简单。 E4 式中，（A 气体的体积分数）在定压条件下等于 A 气体的摩尔分数yB 所以，若有k 种理想B 气体定温定压混合，过程的混合熵为 仏二-R 若血1吨） =^A AS4 + AS 二 T Cp r m （j4） 111 ■ P A ■ 3启 T 4用（￡）hi —— T ? T Cv r m （A ）In — T A ■ + /?ln — V A ■ ■ T Cv, ill — T B ■ ■ v + 7?ln — V B ■ 6S =

生命与熵

生命与熵 摘要主要通过对克劳修斯熵和玻耳兹曼熵的讨论，把孤立系统的熵的概念延伸到开放系统，即生命系统中去，并分析生命系统的自然变化及患病变化的过程在本质上与熵的联系。 关键词熵；生命过程；生命系统；耗散结构 1 克劳修斯熵与玻耳兹曼熵的讨论 1.1克劳修斯熵 根据卡诺循环，可推出克劳修斯不等式，即dS ≥( dQ/T)。由于各种热力学过程其不可逆性都可以归结为热功转换的不可逆性，所以，克劳修斯不等式适用于各类热力学过程的方向及限度的判断。据此，热力学第二定律可归纳为“孤立系统中发生的任意过程总是向着熵增大的方向进行。”显然热力学第二定律对于生命系统来说是不正确的，这是因为生命系统不是一个孤立系统，它与外界既有能量交换也有物质交换。 1.2玻耳兹曼熵 玻耳兹曼熵S = k lnΩ，k为玻耳兹曼常数，Ω为热力学概率，即某热力学状态对应的微观状态数，也就是系统处于该状态时混乱度的度量。这从微观上解释了熵增加原理所表示的孤立系统中热力学过程的方向性,相应于系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡, 直到热力学概率最大的平衡态为止。熵的本质就是系统无序度的量度，这不仅适用于孤立系统，同样适用于生命系统这个开放系统。 2生命系统的耗散结构

一些非生命物质的运动通常会自动趋向于热力学平衡状态，而生命现象，如生长、发育、结构进化等呈现出远离热平衡态。它们从环境中吸取能量，降低自身内部的熵值，获得结构和功能上更高的有序度，维持着耗散结构。作为开放系统的生命体内过程熵变可写作: dS = deS +diS ，其中deS 表示生命体通过代谢活动（与外界交换能量、物质和信息）由外界引入的净熵，其值可正可负；diS 表示生命体内部的熵产生，是由生命体内部各种不可逆过程（异化作用或同化作用）引起的，其值恒为正。生命活动正常与否可由dS =deS +diS 进行讨论,包括以下3种情况: （1）若dS/dt >0, 即diS/dt >-deS/dt ,这时生命体所引入的负熵流不足以抵消内部的熵产生,熵变为正,此时生命体将面临消亡， （2）若dS/dt =0, 即diS/dt =-deS/dt ,此时系统由外界吸取的负熵流抵消了内部熵产生,于是生命体处于正常稳态。 （3）若dS/dt <0 ,即diS/dt < -deS/dt ,则系统由外界吸取的负熵流足够大,从而使生命体变得更有序而充满活力,生命体将进行和发展。 基于第三种情况，有人提出了负熵的概念，即必须有足够大的负熵流（deS）供给生物体来抵消正的diS。如生物体吸取的食物,通常含有高度有序的低熵高分子，如淀粉、蛋白质等，而排泄出高熵物质，使熵不断流出（deS < 0），抵偿其内部由不可逆过程所产生的正熵（diS > 0）。 3生命过程中的熵变化 0 岁到10岁左右是生命成长发育的过程，生物体的结构从有序发展为更有序，此时dS应小于0，即|deS|< diS，系统得到负熵，熵减少，有序度增加。10岁到20岁作用是生命体基本生长的过程，此过程中系统的熵变由负逐渐趋近于零，

热力学第二定律复习题

热力学第二定律 （r δ/0Q T =∑）→熵函数引出 0< (不可能发生的过程) 0= (可逆过程) 0>(自发、不可逆过程) S ?环) I R ηη≤ 不等式：) 0A B i A B S →→?≥ 函数G 和Helmholtz 函数A 的目的 A U TS ≡-，G H TS ≡- d d d d d d d d T S p V T S V p S T p V S T V p -+---+ W ' =0，组成恒定封闭系统的 可逆和不可逆过程。但积分时 要用可逆途径的V ~p 或T ~S 间 的函数关系。 应用条件： V )S =-(?p /?S )V , (?T /?p )S =(?V /?S )p V )T =(?p /?T )V , (?S /?p )T =-(?V /?T )p 应用：用易于测量的量表示不 能直接测量的量，常用于热力 学关系式的推导和证明 <0 (自发过程) =0 (平衡(可逆)过程) 判据△A T ，V ，W ’=0 判据△G T ，p ，W ’=0 <0 (自发过程) =0 (平衡(可逆)过程)

基本计算公式 /()/ r S Q T dU W T δδ ?==- ??, △S环=-Q体/T环△A=△U-△(TS) ，d A=-S d T-p d V △G=△H-△(TS) ，d G=-S d T-V d p 不同变化过程△S、△A、△G 的计算简单pVT 变化(常压 下) 凝聚相及 实际气体 恒温：△S =-Q r/T；△A T≈0 ，△G T≈V△p≈0(仅对凝聚相) △A=△U-△(TS),△G=△H-△(TS); △A≈△G 恒压变温 2 1 , (/) T p m T S nC T dT ?=?nC p,m ln(T2/T1) C p,m=常数 恒容变温 2 1 , (/) T V m T S nC T dT ?=?nC V,m ln(T2/T1) C V,m=常数 △A=△U-△(TS),△G=△H-△(TS); △A≈△G 理想气体 △A、△G 的计算 恒温:△A T=△G T=nRT ln(p2/p1)=- nRT ln(V2/V1) 变温：△A=△U-△(TS),△G=△H-△(TS) 计算△S△S=nC V,m ln(T2/T1)+nR ln(V2/V1) = nC p,m ln(T2/T1)-nR ln(p2/p1) = nC V,m ln(p2/p1)+ nC p,m ln(V2/V1) 纯物质两 相平衡时 T~p关系g?l或s两相 平衡时T~p关系 任意两相平衡T~p关系： m m d/d/ p T T V H ββ αα =??(Clapeyron方程) 微分式：vap m 2 d ln d H p T RT ? =(C-C方程) 定积分式：ln(p2/p1)=-△vap H m/R(1/T2-1/T1) 不定积分式：ln p=-△vap H m/RT+C 恒压相变化 不可逆：设计始、末态相同的可逆过程计 S=△H/T；△G=0；△A ≈0（凝聚态间相变） =-△n(g)RT (g?l或s) 化学 变化 标准摩尔生成Gibbs函数 r m,B G ?定义 r m B m,B B S S ν ?=∑，r m B f m,B B H H ν ?=? ∑， r m r m r m G H T S ?=?-?或 r m B f m,B G G ν ?=? ∑ G-H方程 (?△G/?T)p=(△G-△H)/T或[?(△G/T)/?T]p=-△H/T2 (?△A/?T)V=(△A-△U)/T或[?(△A/T)/?T]V=-△U/T2 积分式：2 r m0 ()//ln1/21/6 G T T H T IR a T bT cT ?=?+-?-?-? 应用：利用G-H方程的积分式，可通过已知T1时的△G(T1)或 △A(T1)求T2时的△G(T2)或△A(T2) 微分式 热力学第三定律及其物理意义 规定熵、标准摩尔熵定义 任一物质标准摩尔熵的计算

生命过程与生物熵(一)

生命过程与生物熵(一) 作者：马远新安虎雁毛莉萍 【摘要】利用耗散结构理论通过生物熵在生命过程的变化分析，建立了正常生命过程的生物熵变数学模型，并对模型的数值变化进行了分析，探讨了生命过程中负熵流与熵增的变化趋势以及原因。 【关键词】生物熵；耗散结构；生命过程 1864年法国物理学家克牢修斯提出了一个物理量和新函数——熵，熵是热力学系统的态函数，在绝热系统中熵变永远不会为负。统计物理学研究表明,熵就是混乱度的量度。20世纪60年代,比利时普利高津提出了耗散结构理论（把那些在非平衡和开放条件下通过体系内部耗散能量的不可逆过程产生和维持的时-空有序结构称为耗散结构）,将熵推广到了与外界有能量交换的非平衡态热力学体系。熵的内涵不断扩大,逐渐形成了热力学熵,黑洞熵、信息熵等概念〔1〕。这种广义熵的提出,阐明了非平衡态与平衡态热力学体系熵的本质是一致的,均受熵定律支配,从而也揭示了物理系统与生命系统的统一性〔2〕。 各生命体的生命活动过程是具有耗散结构特征的、开放的非平衡系统,生命现象也与熵有着密切关系,生命体和一切无机物的一个根本区别是它具有高度有序性。根据这一特点用“熵”来描述生命是较为恰当的。引入广义熵的概念来度量生命活动过程的质量,称为生物熵。本研究将耗散结构理论用于生命过程的研究,建立了生物熵随年龄正常变化的宏观数学模型,用以描述生命过程的熵变。 1生命的自组织过程中的公式模拟 一个无序的世界是不可能产生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方向，与孤立系统向熵增大的方向恰好相反，可以说生物进化是熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。但是生命体是"耗散结构"，耗散结构认为一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态，这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的。生命体通过不断与外界交换物质、能量、信息和负熵，可使生命系统的总熵值减小,从而有序度不断提高,生命体系才得以动态地发展。生物进化是个熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。 一个系统由无序变为有序的自然现象称为自组织现象。自组织现象可以通过下面过程说明：①蛋白质大分子链由几十种类型的成千上万个氨基酸分子按一定的规律排列起来组成。这种有组织的排列决不是随机形成的，而是生命的自组织过程〔4〕。这表明生命体的有序自组织的形成与随物质、能量和信息带进生物体而引起的负熵有关。大的负熵状态,必然有利于有序自组织的形成。而自组织有序度的提高,也必然会导致生物熵的进一步减少。 ②生命的成长过程是生命系统的熵变由负逐渐变化趋于0的过程，可以说随着生命的成长，生物熵是由快速减少到逐渐减少的过程，这个过程中生物组织的总量增加，有序度增加，生物熵总量减少，所以熵增为负。 ③衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加，也就是说随着生命的衰老，生命系统的混乱度增大，原因应该是生命自组织能力的下降造成负熵流的下降，生命系统的生物熵增加，直至极值而死亡，这是一个不可抗拒的自然规律〔5〕。 生命过程是一个开放的热力学系统，熵变可以用一个耗散型结果进行描述。 dS=dSi+dSe 式中,dS为微熵即熵变,表示热力学体系在某一状态时的熵变；dSi为系统内不可逆过程产生的熵,dSi≥0；dSe是开放系统与外界环境交换物质、能量产生的熵流,其符号可正可负。 根据生命过程可以建立一个简单数学模型描述生命过程的熵变。

(完整word版)熵变的计算.docx

1 2.3 熵变的计算 计算过程的熵变时， 应注意熵是状态函数， 确定体系的始末态， 在始末态之间设计 一个可逆过程来求体系的熵变。 2.3.1 理想气体简单状态变化的体系熵变的计算 （ 1）单纯的状态变化 B S S B S A A Q （1） T r 恒压过程： B S A dH B C p dT （2） T A T 恒容过程： B S A dU B C V dT T （3） A T 恒温过程： Q r U W r （4） S T T 一般过程： S nRln V B C V ln T B （8） V A T A S C p ln T B nR ln p B （9） T A p A S C p ln V B C V ln p B （10） V A p A 环境和隔离体系熵变的计算 环境熵变按定义 B Q S 环 A T 环 计算。 Q 为体系实际进行的过程中体系所吸收的热，不是虚拟的过程中体系所吸收的

2热。上例中体系实际进行的过程中体系所吸收的热和虚拟的过程中体系所吸收的热是相 等的，因为两个过程都是恒压的。 体系的热效应可能是不可逆的，但由于环境很大，对环境可看作是可逆热效应，所以， 任何可逆变化时环境的熵变 dS(环 )Q R (体系 ) / T (环) 2.3.2 相变过程的熵变 （ a）可逆相变相变分可逆相变和不可逆相变。在相平衡条件下发生的相变为可 逆相变。如一大气压下， 100℃的水蒸发为 100℃的水蒸气就是可逆相变； 0℃的冰融化为 0℃的水也是可逆相变。对于恒温恒压非体积功为零的条件下发生的可逆相变， S Q r H （24）T T （ b）等温等压不可逆相变不在相平衡条件下发生的相变为不可逆相变。如一大气压下，（ - 10）℃的冰融化为（- 10）℃的水就是不可逆相变。 过冷蒸气的液化、过冷液体的凝固及过热液体的气化等过程, 均属于不可逆相变过程 .对这一类不可逆过程, 利用状态函数法，可以设计一个可逆相变过程来求解。以过冷液体的 等压不可逆凝固相变过程为例: 设指定物质 A的可逆相变温度为T R , 相变潜热为S H m .其实际相变温度为T I , 实际热效应为 Q .因在 T I时是不可逆相变过程, 体系的熵不能用Q 来求解 , 需设计可逆过程 , 故可有: A ( , T I )S m(,) l A s T I ↓Δ S m, 1↑S m, 3 A(l ,T R )S S m, 2A( s,T R ) 熵是状态函数 , 只与始末态有关 , 故S m S m,1S S m,2S m,3 过程 1 和过程3 都是等压可逆变温过程, 而过程 2是等温等压可逆相变过程, 故有 : S m,1T R C p, m (l )dT , V S m,2S H m , S m,3T I C p ,m (s)dT T I T T R T T R 所以 :S m S H m / T R T I(C p ,m (s) C p,m (l )) / TdT T R 若 C p, m( l) 和 C p, m( s) 均为与温度无关的常数, 则上式积分如下 :

熵与生命论文

熵与生命 童海港 （绍兴文理学院化学化工学院化学061 浙江绍兴 312000） 摘要：熵增原理阐述了在封闭系统及与其相对应的环境所组成的孤立系统中，任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向演化。但对生命物质来说，其演化过程恰好与上述情况相反。这难道真的是一对矛盾吗？本文将对此进行简单的阐述。 关键词：熵生命负熵耗散结构 一、熵的概念 1867年，德国物理学家克劳修斯(Clausius)在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生代表大会上，提出熵的概念和宇宙的热寂说，引起人们的极大关注，从此“什么是熵”在科学史上引起了广泛的讨论．爱因斯坦(Einstein)说：熵理论对于整个科学来说是第一法则。所谓熵，是反映一个系统宏观态所具有的微观态数目或与热力学几率有关的物理量，它是系统无序性的量度。1865年克劳修斯在研究卡诺定理的基础上给出了克劳修斯不等式，从而引入了熵的数学表达式。 二、熵与生命过程 达尔文的进化论认为，地球上的生物，随着环境的变迁，有一个由低级生命形态向高级生命形态逐渐进化的必然趋势，生物是由单细胞进化到多细胞的，从无序到有序的过程。但是这与克劳修斯提出的熵增加原理：任何过程总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向演化的理论岂不是矛盾吗？ 1943年，薛定谔(Schrodinger)在都柏林三一学院讲演中指出：

“一个生命有机体的熵是不可逆地增加的，并趋于接近最大值的危险状态，那就是死亡。生命体作为一个非平衡的开放系统要摆脱死亡，从物理学的观点看，唯一的办法就是从环境中不断汲取负熵来抵消自身的熵增加，有机体是依赖负熵为生的。更确切地说，新陈代谢中本质的东西，乃是使有机体成功地消除当自身活着的时候不得不产生的全部的熵，从而使其自身维持在一个稳定而又很低的熵的水平上。”因为熵是无序性的量度，所以负熵是有序性的量度。 普利高津在研究不违背热力学第二定律的情况下，如何阐明生命有机体自身的进化过程时提出了耗散结构的概念。耗散结构是指当体系处于非平衡时，通过体系与外界交换能量和物质而形成和维持的一种稳定化了的宏观体系结构。它突破了热力学定律只适用孤立系统的限制，将其运用到开放系统。一个正常的生命体现可视为一个处于非平衡的开放系统，即是一个耗散结构。作为开放系统的生命体内在远过程里熵的改变量可表示为ds=ds i+ds e，其中ds i为生命体内的所有不可逆过程(消化、吸收等过程)产生的熵变，其值恒大于或等于零；ds e 为生命体与外界交换物质与能量而产生的熵变，亦称熵流，其值可正、可负、或为零。对于一个孤立系统其也ds e=0，则ds=ds i≥0，这就是我们所说的熵增加原理。对于生命体这个开放系统，其dS e≠0，若有生命体从外界获得负熵流(ds e<0)，并且有获得的负熵流大于生命体内部产生的熵变，即∣ds e∣>∣ds i∣时，则有生命体的熵变(ds<0，这时系统的熵是减少的，因而系统的有序性增加，这意味着生命从一定的有序结构上升到更高的有序结构，这就是生命体的发育、生长过

第二章重难点十二 焓变与熵变

一、焓变与熵变的定义： 1．焓变：焓变是指体系内能的变化，焓变为正值说明反应放热体系能量减小，焓变为负值说明反应吸热体系能量增加． 2．熵变：熵变是指体系混乱程度的变化，熵变为正值说明体系的混乱程度增加，熵变为负值说明混乱程度减小． 二、焓变与化学反应方向的关系 体系总是趋向于从高能状态转变为低能状态(这时体系往往会对外做功或释放能量)．这一经验规律是能量判断的依据，即焓变是决定一个化学反应能否自发进行的一个重要因素； 1．多数能自发进行的化学反应是放热反应． 2．有一些吸热反应在室温条件下不能自发进行，但在较高温度下却能自发进行．例如：在室温和较高温度下均为吸热过程的CaCO3的分解反应． 3．有不少吸热反应在室温条件下也能自发进行． 结论：反应放热有利于反应自发进行，反应吸热也有可能自发进行，这说明反应的焓变只是与反应能否自发进行有关的一个因素，但不是唯一因素． 三、熵变与化学反应方向的关系 在同一条件下，不同的物质熵值不同，且一物质的熵与其聚集状态及外界条件还有关，一般来说，S(g)＞S(l)＞S (s)．在密闭的条件下，体系有从有序自发地转变为无序的倾向，该变化过程体系的熵增大．熵值越大，体系的混乱程度越大． 1．许多熵增加的反应在常温、常压下可以自发进行．产生气体或气体物质的物质的量增大的反应，熵变通常都是正值，为熵增加反应． 2．有些熵增加的反应在常温、常压下不能自发进行，但在较高温度下可以自发进行．例如：CaCO3(s)高温CaO(s)+CO2(g) 3．有不少熵减小的反应，在一定条件下也可自发进行． 例如：2Al(s)+Fe2O3(s)高温Al2O3(s)+2Fe(s) 结论：熵增加有利于反应自发进行，熵减小的反应，在一定条件下也可自发进行．故熵增原理是解释反应能否自发进行有关的一个因素，但不是唯一因素．由此可见，焓变和熵变都与反应的自发性有关，又都不能独立地作为自发性的判据，要判断反应进行的方向，必

化学热力学初步

化学热力学初步 【2－1】计算下列系统得热力学能变化: （1)系统吸收了100Ｊ能量，并且系统对环境做了54０J 功。 (2）系统放出了１00Ｊ热量,并且环境对系统做了6３5Ｊ功。 解：(1）J 440J 540J 100-=-=+=?W Q U (2)J 535J 635J 100=+-=+=?W Q U 【2-2】2.０molH ２(设为理想气体)在恒温(2９8K ）下，经过下列三种途径,从始态0.0１5ｍ3膨胀到终态0.040 m 3，求各途径中气体所做得功。 （1）自始态反抗１00kPa 的外压到终态。 （２)自始态反抗200kPa 的外压到中间平衡态，然后反抗100ｋP ａ的外压到终态。 （3）自始态可逆地膨胀到终态。 解：（1)()kJ 5.2015.0040.01001=-?-=??-=V p W （２)()()222022 222V V p V V p W W W '-''?''--''-=''+'=，关键是确定中间态在2p '下的体积2V ': 311220.025m L 8.24kPa 200K 298)K mol L kPa (315.8mol 0.2≈=?????=''='--p nRT V ()()kJ 5.3025.0040.0100015.0025.02002-=-?--?-=W (３) 4.9kJ J 4861015 .0040 .0ln 298315.80.2ln 1232 1 ≈=??-=-=-=?V V nRT pdV W V V 【２-3】在θ p 和885o Ｃ下，分解1．０mo ｌCaCO ３需耗热量16５kJ 。试计算此过程得。 和、H U W ?? Ca ＣO 3的分解反应方程式为32CaCO (s)=CaO(s)+CO (g) 解：? ? (s) CaCO 3(g)CO CaO(s)2+ 1θ m f m ol kJ /-??H ―１２０.69 ―6３5．１ ―39３.5 系统的标准摩尔焓变:1 θm r m ol kJ 3.1781206.9][393.5]635.1[-?=----=?H 系统对环境做功：kJ 6.9115810315.80.13 -=???-=?-=?-=-nRT V p W 等压热效应就是反应的焓变:kJ 165==?Q H

试论述生态系统中熵与自然资源的关系

自然资源学原理作业 11资环2班11250802210 试论述生态系统中熵与自然资源的关系。 一、自然资源与熵的关系 按热力第二定律，宇宙的熵在不断地增加，意味着越来越多的能量不能转化为有效能了，于是一切运动过程邪将停止，宇宙将走向“热寂”。生态系统并不是封闭的而是开放的，开放系统不断与外界交换能量与物质，形成足够的负熵流，使系统的总熵不增长甚至减少。 在自然资源当中熵与负熵是并存的，在地球不断接受太阳能并将其作各种转化的过程中，地球的熵值不断下降，相应地物质与能量会形成具有结构的、非均匀分布的有序状态．形成自然资源；另一方面，人类在自然资源的开发利用过程中，又不断向环境散热，使熵增加改变地球物质与能量的结构和有序状态。 生物资源归根结底是来自太阳的负熵的聚集，化石燃料也是如此，尤机矿物要形成资源，需要有一定的富集程度，也是由太阳能所驱动的风化、沉积、搬运等过程所产生的，因此也可以看作是主要来自太阳能的负熵贮存。 熵的增加使气候变暖，从而对森林资源造成一定的影响：由于温度升高可使土壤温度降低．许多喜温性树种幼苗很难成活，从而使植物群落的组成会发生变化，甚至某些植物群落将消失或被另一些植物群落所代替；气候变暖，气候带迁移，植物带重新分布，一些动物还米不及迁移或?于海平面上升沿岸长期生活的某些动植物会随之消失，这势必会引起更多的物种灭绝；气候变暖可能造成非洲大陆热带森林加速减少，使得非洲受影响地区不稳定的生态系统情况遭到破坏。以全球而论，目前到2050年的气候变化，将使森林覆盖面积从自然植被的58％减到49％，沙漠从21％扩大到24％，苔原从3％减为0，自然生态系统因之而变，森林资源减少严重。 人们相信自然资源在经济和社会发展中的重要作用，能量主宰了宇宙中的一切。但是随着时代的发展，熵概念的重要性越来越突显出来了。人们越来越多的把它和无效能量，混乱度，废物，污染联系在一起，认识到了自然资源与熵的关系的重要意义。 二、自然资源的开发利用与熵的关系 熵从根本上揭示了人工自然演化过程中的客观规律，使人类看到自己开发利

生命与熵

生命与熵 （物理053 唐静亚 2005032031） 摘要：熵的概念来自物理学研究，但是它的应用早已超过物理学的范畴，对许多自然科学领域产生了重要的影响。本文研究生命现象中的熵，期望对丰富熵的内涵从而理解生命过程能有所裨益。 关键词：熵；麦克斯韦妖；生命 1 生物体的熵 1877 年,一生致力于用统计力学研究热运动的玻耳兹曼(Boltzmann) 指出:熵( S ) 是分子无序的量度，熵与无序度Ω(即某一宏观态对应的微观态数) 之间的关系为S = kln Ω (其中k 为玻耳兹曼常数) 这就是最著名的玻耳兹曼关系式，从此式可以看出,系统微观态数越多,系统越混乱,熵越大。熵不是一个模糊的概念, 它和其他物理量一样，可以定量地计算出来,显然从玻尔兹曼的微观定义式不便算出(其中的微观状态数Ω 不便给出)。 然而, 在玻尔兹曼提出他的熵公式之前的1865 年，克劳修斯(Clausius) 就在对可逆过程的宏观分析中引进了熵的概念并导出了熵的计算公式. 温度处于绝对零度时,任何一种物体的熵都等于零。当你以缓慢的、可逆的、微小的变化使物体进入另一种状态时，熵的增量为d S =d Q/T 式中T 为过程中系统的温度，d Q 为该过程系统吸收的热量。对于有限的过程,经可逆过程从平衡态1 到平衡态2 时，其熵的变化为?=-2112T dQ s s 我们知道，对于开放系统，其熵变有两个来源，一是由于系统内部的不可逆过程引起的熵产I dS ，它总为正；另一部分是由于系统和环境交换物质或能量而引进的熵流R dS ，它可以大于零、小于零，也可以等于零。而系统总熵变则为这两者之和，即 d S = d S I + d S R 系统能否朝有序的方向发展即系统总熵变是正还是负，取决于熵产与熵流的大小与正负，一个系统的熵产总是正值，即d S I > 0，如果d S R < 0，且d S R > d S I 就会有d S < 0，此种情况下系统的总熵值会减小，系统会朝着更有序的状态发展。首次把熵与生命联系起来的是奥地利理论物理学家，量子力学创始人薛定谔( ErwinSchrêdinger)，他在1944 年发表的专著《生命是什么?》中指出；自然界中正在进行的每一种事件都意味着它在其中进行的那部分世界的熵在增加，趋于接近最大值熵的危险状态，那就是死亡，惟一的办法就是从环境里吸取负熵,以抵消熵的增加，“明白的回答是靠吃、喝、呼吸以及(植物是) 同化.??专门术语叫新陈代谢. ”如果把生命体看成一个简化的热力学的恒温系统,其熵产来源于系统内部进行的不可逆过程.熵流则是在新陈代谢过程中与环境进行物质和能量交换时所获得的,据经典热力学理论,在这个过程中有d h = d f + T d S 式中d h 代表人体在无限小的时间内,由糖类、脂肪及蛋白质分解代谢中释放的能量； d f 为自由能,又称之为“ ”(即转化为有用的能量) ，它等于绝对温度乘以熵减。 对于等温过程,自由能与熵减成正比，自由能携带着熵减，它是熵减的载体。这种能主要提供人体的基础新陈代谢，包括各系统、内脏和器官正常运动所需的能量、

江苏省启东市高三语文 第一单元 熵 一种新的世界观(节选)教案

江苏省启东中学高三语文第一单元：熵：一种新的世界观（节选） 背景资料 1、背景知识 1865年，德国物理学家克劳修斯首次将熵这个概念引入热力学，用来阐明热力学第二定律。1877年，奥地利物理学家玻耳兹曼提出了玻耳兹曼关系式，建立了熵与系统微观性质的联系，赋予了熵统计学的意义。1929年，匈牙利物理学家西拉德又阐述了熵与信息的关系，揭示了熵的新的意义。在热力学中，熵是测定不能再用来做功的能量的量；在统计物理学中，熵是衡量微观系统无序程度的量；在信息论中，熵成为信息不确定度的量。如今，不仅在科技领域，而且在社会科学甚至人文科学领域，都随处可见到熵这一概念。1959年，英国当代著名作家斯诺在剑桥大学作了一次讲演，题目是“两种文化及再谈两种文化”，指出人文科学和自然科学的对立造成的文化分裂，致使人文学者和科学家再也无法就同一重大社会问题共同进行认真研讨。他认为，一个作家对热力学第二定律毫无所知，就等于一个科学家没读过莎士比亚的作品。 美国当代著名社会学家里夫金和霍华德1981年出版了《熵：一种新的世界观》，从热力学第二定律出发，对熵这一物理概念作了哲学阐释，论述了政治、经济、教育、宗教等诸多领域的许多重大问题，在西方学术界引起震动。 《熵：一种新的世界观》一书，特别对科学技术的迅速发展所带来的负面影响作了深刻的分析，指出科学技术在创造财富的同时，也给人类制造出许多垃圾。这种对科学文化的批判，是有其学术背景的。 现代科学不过仅有几百年的历史，然而它却从根本上改变了我们这个世界。科学技术解放了人类的体力甚至脑力，提高了我们的生活品质。科学意味着福音，我们无时不在享受科学技术的发展所创造的现代文明。英国历史学家汤因比说，科学已取代了传统的宗教，成为现代人的新宗教。然而，科学作为一种文化，也并非完美无缺。它在传播福音的同时，也不自觉地扮演着魔鬼。对技术进步的乐观，对物质增长的贪求，使人类陷入种种困境，如环境污染、能源危机、战争威胁等。1972年，西方著名的未来学研究团体罗马俱乐部发表了关于人类困境的研究报告，名为“增长的极限”，第一次系统地论述了科技发展、生产力提高以及经济增长和自然资源、生态环境的关系，提出了“增长的极限”的理论，指出人口和经济的增长，必然耗尽世界上不可再生的自然资源，同时污染环境，威胁人类生存。罗马俱乐部的报告，向世人敲响了警钟，对近代西方文化中经济无限增长的癖好作了批判。《熵：一种新的世界观》就是在这样的背景下诞生的一部学术著作。它所讨论的社会问题，比《增长的极限》要广泛、深入得多。 2、关于生命系统与熵定律 那么，熵定律又是什么呢？1972年，美国马萨诸塞理工学院的丹尼斯·米都斯领导的一个17人小组向“罗马俱乐部”提交了一份题为“增长的极限”的报告以后，在世界范围的政治、经济、科学、哲学界引起相当大的波动。在于民告引起的那场广泛争论中，杰里米·里夫金和特德·霍华德又发表了著名的著作《熵，一种新的世界观》。这是一本论述热力学定律，并由之探讨人类乃至宇宙前途的书，其涉及的领域比“报告”更广泛，意义也更深远。现在让我们先看看究竟什么是热力学定律。 热力学有两个定律，第一定律也称为能量守恒定律，指出宇宙的能量总和是一个常数，既不可能增加，也不可能减少。热力学第二定律就是著名的熵定律，它指在一个封闭的系统里，能量总是从高的地方流向低的地方，系统从有序渐渐变成无序，系统的熵最终将达到最大值。这是一个不可逆的过程。 生命系统就是根本不服从熵定律的一个庞大的世界。大约40亿年前，地球刚刚形成不久，