發(fā)布時(shí)間：2021-04-19所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：熵的概念最初以熱力學(xué)熵的形式出現(xiàn)在了物理學(xué)科中。在漫長的發(fā)展過程中，人們將熵的概念逐漸應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。本文首先闡述了熱力學(xué)熵的起源、概念及本質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)熵的概念拓展進(jìn)行了詳細(xì)論述，從而體現(xiàn)出了研究熵的意義和價(jià)值。 關(guān)鍵詞：大學(xué)
摘要：熵的概念最初以熱力學(xué)熵的形式出現(xiàn)在了物理學(xué)科中。在漫長的發(fā)展過程中，人們將熵的概念逐漸應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。本文首先闡述了熱力學(xué)熵的起源、概念及本質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)熵的概念拓展進(jìn)行了詳細(xì)論述，從而體現(xiàn)出了研究熵的意義和價(jià)值。
關(guān)鍵詞：大學(xué)物理;卡諾循環(huán);熱力學(xué)熵;熵的拓展
1 緒論
在大學(xué)物理中，熵的概念是抽象而復(fù)雜的，對(duì)熵進(jìn)行深入研究很有必要。熵規(guī)定了與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程的發(fā)展方向。熵能夠體現(xiàn)出體系的混亂程度，體系越混亂，熵越大。在實(shí)際過程中，熵是增加的。熵增加原理是熱力學(xué)第二定律的另一種表述。隨著各學(xué)科的發(fā)展，熵不再局限于狹小的熱力學(xué)空間，步入了化學(xué)、地理、采礦、生命科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、數(shù)論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、管理學(xué)和哲學(xué)等自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)之中，并且取得了豐碩成果。本文詳細(xì)地闡述了物理學(xué)中熱力學(xué)熵的起源，對(duì)不同時(shí)期出現(xiàn)的概念進(jìn)行了描述，強(qiáng)調(diào)了熵的本質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，論述了熵在各個(gè)學(xué)科中的應(yīng)用和價(jià)值，即對(duì)熵的拓展進(jìn)行了討論。
2 熵的起源、概念和本質(zhì)
人們最初對(duì)外做功依靠的是人力，為了找到能夠代替人力對(duì)外做功的機(jī)器，對(duì)熱力學(xué)原理進(jìn)行了研究。1824年，法國工程師卡諾提出了一種理想熱機(jī)，即卡諾熱機(jī)。卡諾熱機(jī)的工作物質(zhì)包括兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程
1872年，玻爾茲曼用熱力學(xué)概率Ω來描述系統(tǒng)在熱運(yùn)動(dòng)中微觀粒子的狀態(tài)數(shù)，并證明了系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)與熱力學(xué)概率的自然對(duì)數(shù)成正比。后來，普朗克引進(jìn)了比例系數(shù)K，K即玻爾茲曼常數(shù)。于是，出現(xiàn)了玻爾茲曼熵(2)
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熱力學(xué)熵和玻爾茲曼熵均出自于物理學(xué)，玻爾茲曼熵是熱力學(xué)熵的微觀描述，只有從微觀上來研究熵，才能解釋熵的本質(zhì)。與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程自發(fā)地向熵增加的方向進(jìn)行，即熵增加原理。熵增加原理包括克勞修斯表述和開爾文表述。熵增加原理是熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)，規(guī)定了熱現(xiàn)象的方向性。熱力學(xué)第一定律是能量守恒在熱學(xué)中的體現(xiàn);熱力學(xué)第二定律闡明了能量在轉(zhuǎn)化過程中的退化。是什么導(dǎo)致能量的退化呢?自然界中，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際過程都是不可逆的。這些不可逆過程使得能量不斷地從能做功的形式向不能做功的形式轉(zhuǎn)化。盡管總能量守恒，但不能做功的能量所占的比例較大，這是由于過程中有熱現(xiàn)象的參與，從而降低了能量的品質(zhì)。
3 熵的拓展
玻爾茲曼熵中包含了概率，而概率不只存在于物理學(xué)中，這使得熵出現(xiàn)于其他學(xué)科中成為可能，從而拓展了熵的概念。現(xiàn)從以下幾個(gè)方面對(duì)熵的拓展進(jìn)行論述。
3.1 在數(shù)學(xué)模型上的應(yīng)用
為了形容無序化，日本學(xué)者20世紀(jì)70年代在標(biāo)準(zhǔn)化著作中引入了熵的概念，然而，并沒有提出標(biāo)準(zhǔn)化熵的學(xué)術(shù)內(nèi)涵和數(shù)學(xué)模型。我國學(xué)者麥綠波不僅將熵的概念延伸到了標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)科，而且創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)化熵的概念及其數(shù)學(xué)模型，推進(jìn)了熵在數(shù)學(xué)模型上的應(yīng)用。
3.2 在信息科學(xué)中的應(yīng)用
信息能夠體現(xiàn)出某種事件的發(fā)生，事件發(fā)生具有一定的概率。一個(gè)信號(hào)源發(fā)出的信息是一系列隨機(jī)事件的集合。這種概率上的不確定性與熵所描述的微觀狀態(tài)的混亂程度如出一轍。因此，將熵引,信息科學(xué)中是合理的。信息論的創(chuàng)始人美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)將熵引入了信息科學(xué)中，采用信息熵完成了對(duì)信息熵的量化表達(dá)。信息的傳遞和運(yùn)用在社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步中起到了很重要的作用，這決定著事物能否朝著預(yù)想的方向進(jìn)行，同樣也是人們對(duì)未知行為的一種探究。將熵延伸到信息科學(xué)中，使人們對(duì)信息科學(xué)的認(rèn)知達(dá)到了一個(gè)新層面。
3.3 在生命科學(xué)中的應(yīng)用
在生命的最初階段，體系是非常有序的，熵的值很小。隨著時(shí)間的推移，熵逐漸增大，生命活動(dòng)趨于混亂，生命體越來越衰老，最終因熵達(dá)到極大值而離世。物理學(xué)家薛定諤首次提出了“負(fù)熵”的概念，提出了生命是非平衡系統(tǒng)并以負(fù)熵為生的觀點(diǎn)。在生命體的成長階段，從外界獲得的負(fù)熵的絕對(duì)值大于自身熵增的絕對(duì)值;在生命體的衰老階段，從外界獲得的負(fù)熵的絕對(duì)值小于自身熵增的絕對(duì)值。
生命體是比較特殊的系統(tǒng)，從外界獲得能量并不是其獲得負(fù)熵的唯一途徑。每個(gè)生命體都有其基因結(jié)構(gòu)，這些基因的排序從某種角度體現(xiàn)出了一種有序性。可將生命體本身視為負(fù)熵。生命體的繁殖行為會(huì)制造出負(fù)熵，人類神經(jīng)系統(tǒng)傳遞的信息及免疫系統(tǒng)獲取的信息也能夠?yàn)樯w貢獻(xiàn)大量負(fù)熵，由此可見，信息熵能夠應(yīng)用于生命科學(xué)中，可將生命視為信息自身的實(shí)現(xiàn)。盡管生命體是一個(gè)復(fù)雜的體系，熵在生命科學(xué)中的應(yīng)用能夠?qū)ιw的發(fā)展過程進(jìn)行合理的解釋。
3.4 在道路交通方面的應(yīng)用
自20世紀(jì)80年代以來，我國在對(duì)交通流理論研究方面不斷探索，主要側(cè)重于理論的應(yīng)用和合理性分析。由于交通流理論研究方面存在著不足，有些學(xué)者嘗試著采用熵對(duì)交通流理論進(jìn)行研究，最終通過最大熵理論獲得了交通流理論中的各種統(tǒng)計(jì)分布，驗(yàn)證了最大熵原理是各種統(tǒng)計(jì)分布的最基本原理。人們進(jìn)一步運(yùn)用熵理論建立了動(dòng)態(tài)密度模型和速度模型，為交通規(guī)劃和交通系統(tǒng)仿真提供了理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了熵在道路交通方面的應(yīng)用價(jià)值。熵在道路交通方面的應(yīng)用將熵拓展到了自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的交叉學(xué)科中，還沒有充分體現(xiàn)出熵在社會(huì)科學(xué)中的應(yīng)用。
3.5 在管理學(xué)中的應(yīng)用
熵不僅在自然科學(xué)中應(yīng)用廣泛，在社會(huì)科學(xué)中也具有一定的價(jià)值。在管理學(xué)中，管理是為了體現(xiàn)出一種秩序性，當(dāng)面臨的形式比較混亂時(shí)，通過管理能夠出現(xiàn)井井有條的局面。從某種意義上來講，根據(jù)熵的概念，管理能夠使熵降低。這種熵的降低屬于局部降低，在管理過程中會(huì)消耗一定的熵，在其他方面會(huì)體現(xiàn)出熵增。如：人們?cè)陔s亂無章的事件整理非常有序的過程中，會(huì)消耗一部分能量，盡管事件變得有序體現(xiàn)了熵減，但人們?yōu)榱耸故录蔁o序變成有序而消耗能量的過程是熵增的過程。雖然不可逆過程中的熵是增大的，但指的是總熵增大，局部的熵是可以減小的。熵在管理科學(xué)中的應(yīng)用將熵地概念拓展到了社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。
3.6 在哲學(xué)中的應(yīng)用
哲學(xué)是一切學(xué)科的基礎(chǔ)，尤其與自然科學(xué)之間有著密切的聯(lián)系，是最基礎(chǔ)的定律。人們對(duì)熵的研究已經(jīng)達(dá)上升到了哲學(xué)層面，熵在哲學(xué)中具有特定的含義。熵是質(zhì)和量的統(tǒng)一，是熵增和熵減的統(tǒng)一，是普遍性和特殊性的統(tǒng)一。
熵的質(zhì)是熵的方向性和不可逆性。熵可以用來概括自然界中不可逆轉(zhuǎn)的方向性，這屬于熵的本質(zhì)。熵的量是熵的大小，即熵值。在孤立系統(tǒng)中，熵總是向著增加的方向變化，熵值總為正值。在開放系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)熵的絕對(duì)值大于熵產(chǎn)生時(shí)，熵的值為負(fù)值。在實(shí)際過程中，只要注意控制熵變這一因素，就能夠使事物向良好的方向發(fā)展。
熵增和熵減是矛盾的兩個(gè)方面。熵增普遍存在于實(shí)際過程中，并困擾和威脅著人類的生存和發(fā)展。反言之，人類為了生存，一定要控制熵增。我們應(yīng)該正確把握這種辯證關(guān)系，積極地為控制熵增而努力。任何夸大熵增和夸大熵減的觀點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致消極悲觀論和盲目樂觀論，這些不恰當(dāng)?shù)挠^點(diǎn)不利于事物向良好的方向發(fā)展。
熵普遍存在于各種學(xué)科，但在每種學(xué)科中都具有其特定的含義。如熵普遍存在于物理學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、道路交通和管理學(xué)中，但在上述學(xué)科中均具有其特定的含義。
熵在哲學(xué)上的應(yīng)用體現(xiàn)了人們對(duì)熵的研究達(dá)到了一個(gè)新高度，這對(duì)熵在具體學(xué)科中的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。
4 結(jié)語
熵體現(xiàn)了體系中的一種混亂程度。熵的概念使得熵在自然科學(xué)及社會(huì)科學(xué)中均有一定程度的發(fā)展，尤其是在自然科學(xué)中應(yīng)用廣泛，最終，熵的應(yīng)用達(dá)到了哲學(xué)層面。熵在社會(huì)科學(xué)中也有其應(yīng)用價(jià)值。本文首先描述了熵的起源、概念和本質(zhì)，然后，對(duì)熵的應(yīng)用進(jìn)行了拓展，分別闡述了熵在數(shù)學(xué)模型、信息科學(xué)、生命科學(xué)、道路交通、管理學(xué)及哲學(xué)方面的應(yīng)用。熵雖然起源于物理學(xué)，但并不局限于此學(xué)科，熵的概念遍布多種學(xué)科中，這增強(qiáng)了熵的應(yīng)用價(jià)值。我們對(duì)熵進(jìn)行深入研究，能夠推進(jìn)人類社會(huì)的發(fā)展。——論文作者：段秀芝，戶立春，徐園園，王莉芳
