熱力學(xué)熵及其在生態(tài)環(huán)境中意義,熱力學(xué)論文

熱力學(xué)熵及其在生態(tài)環(huán)境中意義,熱力學(xué)論文摘要：文章主要從熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)角度給出熵的兩個(gè)定義,分別是熱力學(xué)定義及統(tǒng)計(jì)定義,同時(shí)具體給出了熵的意義,并從熱力學(xué)中最基本的原理:熵增加原理出發(fā),給出熵在生物學(xué)及環(huán)境學(xué)中的應(yīng)用。利用熵解釋生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題,將物理學(xué)中傳統(tǒng)理論課與生態(tài)環(huán)境聯(lián)絡(luò)起來(lái),在授課經(jīng)過(guò)中到達(dá)課程思政的教學(xué)目的,培養(yǎng)大學(xué)生正確的價(jià)值觀,并能將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：熵;熵增加原理;翻轉(zhuǎn)課堂;課程思政;Abstract：Inthispaper,basedonthermodynamicsandstatisticalmechanicsthedefinitionofentropyisgiven.Meanwhile,themeaningofthermodynamicsentropyandstatisticalmechanicsentropyaregivenindetail.Accordingtothemostbasicprincipleofthermodynamics:theprincipleofentropyincrease,theapplicationofentropyinbiologyandenvironmentalscienceisgiven.Theentropycanalsobeusedtoexplaintheecologicalenvironmentdeterioration.Thetraditionaltheoreticalcoursesinphysicsareconnectedwiththeecologicalenvironment,duringthecoursesthecorrectvaluesofcollegestudentsaretrainedandthetheoreticalknowledgecanbeappliedtopractice.Keyword：entropy;principleofentropyincrease;flippedclassroom;ideologicalandpoliticaltheories;當(dāng)前,全球環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重,據(jù)世界(紅皮書(shū)〕記載,僅僅在二十世紀(jì)全球就有110種哺乳動(dòng)物以及139種鳥(niǎo)類在地球上消失了。北極熊利用海冰作為漂浮的平臺(tái)捕捉獵物,然而北極海冰正在以每十年9%的速度融化,危及到北極熊的棲息地和生存。海洋冰川的融化和海洋酸化直接影響野生動(dòng)物,并減少南極洲生物多樣化。鱗蝦的數(shù)量急劇減少,在一些區(qū)域,冰川和食物的減少導(dǎo)致南極企鵝數(shù)量下降。在南美洲,海龜在巴西海岸產(chǎn)卵。海平面的上升威脅著這些地區(qū)。氣候變暖還威脅到海龜?shù)暮蟠?由于巢溫嚴(yán)重影響到性別確實(shí)定:最冷的位置產(chǎn)出雄性后代,而較暖和的位置產(chǎn)出雌性后代。因而保衛(wèi)環(huán)境刻不容緩,正如***講的綠水青山就是金山銀山,在傳統(tǒng)物理理論課的教學(xué)中,將熱力學(xué)中最基本的概念熵與生態(tài)環(huán)境聯(lián)絡(luò)起來(lái),使學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)的經(jīng)過(guò)中將物理理論應(yīng)用到保衛(wèi)環(huán)境的實(shí)際當(dāng)中,進(jìn)而在教學(xué)經(jīng)過(guò)中到達(dá)課程思政的教學(xué)目的,培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀。同時(shí)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到怎樣從本身做起保衛(wèi)環(huán)境。1、熵的定義熵是熱力學(xué)中最基本的一個(gè)狀態(tài)參量,能夠用來(lái)描繪敘述系統(tǒng)的混亂程度,當(dāng)前熵理論被廣泛的應(yīng)用于信息、生物、環(huán)境等領(lǐng)域用以解釋該領(lǐng)域的問(wèn)題,并將其稱為信息熵、生物熵、環(huán)境熵等。熵起源于熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)。最早提出熵的概念的是德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯,他在研究氣體卡諾循環(huán)的經(jīng)過(guò)中發(fā)現(xiàn),對(duì)于一個(gè)卡諾循環(huán)經(jīng)過(guò),熱量與溫度的比值的積分是一個(gè)狀態(tài)函數(shù),只與經(jīng)過(guò)的初末態(tài)有關(guān),而與經(jīng)過(guò)無(wú)關(guān),他將這個(gè)狀態(tài)函數(shù)定義為熵(entrogy),通過(guò)進(jìn)一步的研究他發(fā)現(xiàn),在熱力學(xué)經(jīng)過(guò)中,熵變大于等于該經(jīng)過(guò)熱溫比的?積分,能夠表示為[1]:華而不實(shí)對(duì)于可逆經(jīng)過(guò)取等號(hào),對(duì)于不可逆經(jīng)過(guò)取大于號(hào)。隨后奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼從從統(tǒng)計(jì)物理出發(fā),將熵的定義與統(tǒng)計(jì)物理聯(lián)絡(luò)起來(lái)給出了熵的統(tǒng)計(jì)定義,對(duì)于知足玻爾茲曼分布的粒子,即粒子是能夠分辨的,每個(gè)狀態(tài)上所能包容的粒子數(shù)不受限制,此時(shí)熵的表示出式能夠?qū)憺?華而不實(shí)K為玻爾茲曼常量,數(shù)值為1.3810-23J/K,為玻爾茲曼分布微觀狀態(tài)數(shù),由熵的統(tǒng)計(jì)定義式能夠看出系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)越多,熵值越大。2、熵的意義熵的意義主要由兩方面能夠闡述,一是熵的熱力學(xué)意義熵增加原理,另外一個(gè)是熵的統(tǒng)計(jì)意義熵是系統(tǒng)混亂程度的量度。從熱力學(xué)角度來(lái)看,考慮一個(gè)與外界既沒(méi)有能量交換也沒(méi)有物質(zhì)交換的孤立系統(tǒng),根據(jù)熵的熱力學(xué)定義,孤立系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱量交換,所以dQ=0,此時(shí)熱力學(xué)經(jīng)過(guò)熵變能夠表示為:該不等式表示清楚,對(duì)于一個(gè)熱力學(xué)經(jīng)過(guò),可逆經(jīng)過(guò)熵不變,不可逆經(jīng)過(guò)熵增加,熵減少的經(jīng)過(guò)是絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)的,這就是熱力學(xué)中著名的熵增加原理?？藙谛匏箤㈧卦黾釉響?yīng)用到整個(gè)宇宙中,他以為宇宙是一個(gè)孤立系統(tǒng),根據(jù)熵增加原理,整個(gè)宇宙只能不斷的向熵增加的方向進(jìn)行,當(dāng)熵到達(dá)最大值時(shí),整個(gè)宇宙處于熱力學(xué)平衡態(tài),此時(shí)的表現(xiàn)為宇宙中溫度梯度消失,壓力變得均勻,所有的能量轉(zhuǎn)化都停止,此時(shí)的宇宙處于一種熱寂的狀態(tài),稱為宇宙熱寂論。為了解釋熱寂論的觀點(diǎn),物理學(xué)家提出了負(fù)熵的概念,奧地利著名物理學(xué)家薛定諤在1944年出版了一本書(shū)(生命是什么?〕,在書(shū)中其具體闡述了負(fù)熵的概念,并將負(fù)熵與生物聯(lián)絡(luò)起來(lái),指出生物以負(fù)熵為食[2]。當(dāng)熵增為負(fù)時(shí),我們稱之為負(fù)熵流,例如對(duì)于地球這個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),能夠?qū)⑻?yáng)輻射的能量看成是地球獲得的負(fù)熵流,使得地球內(nèi)部系統(tǒng)變得愈加有序。對(duì)于生物體來(lái)講,生物從外界獲得的能量是有序的,是負(fù)熵流,而生物行為使得外界系統(tǒng)無(wú)序性增加的行為則為熵增行為。圖1N個(gè)粒子組成的熱力學(xué)系統(tǒng)熵的統(tǒng)計(jì)意義在于,熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的量度,考慮N個(gè)粒子組成的玻爾茲曼體系,粒子是能夠分辨的,每個(gè)態(tài)上能夠包容的粒子數(shù)不受限制,體系能夠用熱力學(xué)參量壓強(qiáng)P,溫度T,體積V來(lái)描繪敘述,為了解釋微觀狀態(tài)數(shù),能夠?qū)Ⅲw系分解成V/個(gè)小格子,華而不實(shí)代表每個(gè)格子的體積,如此圖1所示。在這里種情況下,根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,此時(shí)系統(tǒng)總的微觀狀態(tài)數(shù)能夠表示為由該式能夠看出,系統(tǒng)的粒子數(shù)越多,即N越大,系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)越多,根據(jù)熵的統(tǒng)計(jì)定義,熵與微觀狀態(tài)數(shù)的對(duì)數(shù)成正比,因而微觀狀態(tài)數(shù)越多,系統(tǒng)越混亂,系統(tǒng)熵越大,因而熵是系統(tǒng)混亂程度的量度,即熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的量度,這就是熵的統(tǒng)計(jì)意義。當(dāng)熵增加時(shí),系統(tǒng)的混亂程度增加。當(dāng)熵增為負(fù)時(shí),系統(tǒng)的有序度增加,因而能夠通過(guò)從外界引入負(fù)熵流提高系統(tǒng)的有序性,下面主要從兩個(gè)方面討論熵與環(huán)境以及熵與生物的關(guān)系。2.1、熵與生態(tài)環(huán)境既然熵的統(tǒng)計(jì)意義在于熵是系統(tǒng)混亂程度的量度,我們就能夠通過(guò)熵的增加和減少來(lái)講明系統(tǒng)無(wú)序程度的高低。所有生物體有序度的增加都是以周圍環(huán)境中熵增為代價(jià)的,人類消耗有效能量的經(jīng)過(guò)中,需要不斷的從周圍環(huán)境中攝取有序度較高的能量和物質(zhì),并向周圍環(huán)境排出有序度較低的能量和物質(zhì)。下面我們通過(guò)討論地球系統(tǒng)的定態(tài)熵,來(lái)論證人與地球的關(guān)系。地球從太陽(yáng)獲得的負(fù)熵流為華而不實(shí)p為地球吸納陽(yáng)光的功率,T分別代表太陽(yáng)和地球外表的溫度[3]。這些負(fù)熵流中有34%被云層反射,44%被大氣所吸收,22%消耗于海水的蒸發(fā)中,還有0.17%消耗在驅(qū)動(dòng)大氣和海洋流動(dòng)的風(fēng)浪上,真正被綠色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的僅有0.02%左右,這些光合作用為地球提供負(fù)熵流。地球提供應(yīng)人類的負(fù)熵流,大致為:我們?cè)俟浪阋幌氯祟惿a(chǎn)生活給地球這個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)所帶來(lái)的熵增是多少。一個(gè)體重為60kg的成年男子熵產(chǎn)生率為0.4W/K,全球人均熵產(chǎn)生率為成年男子的60%,全球一共75億人口,總的熵產(chǎn)生率為1.8*109W/K,由于自然界生態(tài)效率低,而且光合作用并不能直接或間接被人類食用,因而當(dāng)前地球的排熵能力已經(jīng)接近上限。假如人口繼續(xù)膨脹會(huì)使地球的熵增大于負(fù)熵,則地球會(huì)向著無(wú)序方向發(fā)展,則地球失去生機(jī),人類失去賴以生存的家園。同時(shí)人類對(duì)能源無(wú)遏制的開(kāi)采濫用也使地球環(huán)境不斷惡化,熵值不斷增加。當(dāng)熵到達(dá)最大的時(shí)候,則整個(gè)宇宙處于熱力學(xué)平衡態(tài),此時(shí)能量轉(zhuǎn)化停止,壓力均勻,溫度梯度消失,整個(gè)宇宙處于熱寂狀態(tài)。現(xiàn)今,世界上已有593種鳥(niǎo)、400多種獸、209種兩棲爬行動(dòng)物和20000多種高等植物瀕于滅絕。就像講到的綠水青山就是金山銀山保衛(wèi)環(huán)境,從你我做起,我們不能增大負(fù)熵流的引入,但是能夠盡量減少熵增,以保證地球向著更有序的方向進(jìn)化。2.2、熵與生物生物體的生長(zhǎng),成熟,衰亡階段能夠用熵增來(lái)表示。生物體的生長(zhǎng)經(jīng)過(guò)能夠看成是一個(gè)開(kāi)放的非平衡系統(tǒng),其有序性能夠用熵增來(lái)表示,用廣義的熵描繪敘述生物體生長(zhǎng)經(jīng)過(guò)稱為生物熵[4]。生物的進(jìn)化經(jīng)過(guò)是一個(gè)有序度增加的經(jīng)過(guò),因而能夠看成是熵減少的經(jīng)過(guò),在這里經(jīng)過(guò)中,生物體通過(guò)不斷的與外界交換物質(zhì)、能量、信息使生物體本身有序度增加,這是一個(gè)進(jìn)化經(jīng)過(guò),也是一個(gè)熵減少的經(jīng)過(guò)。對(duì)于人類來(lái)講,在0-20歲之間,這個(gè)經(jīng)過(guò)是熵增為負(fù)的經(jīng)過(guò),在這里經(jīng)過(guò)中生命體有序度增加。20-35歲左右,此時(shí)生命體從外界吸收的負(fù)熵流與本身的熵增大約相等,總熵變接近于零,此時(shí)生命體表現(xiàn)為有序度平穩(wěn)狀態(tài),生命處于旺盛階段。35-50歲左右,此時(shí)人體本身熵增略大于從外界汲取到的負(fù)熵值,生命處于平衡或者緩慢衰老狀態(tài)。50歲以后,生物負(fù)熵值小于本身熵增,熵變大于零,此時(shí)生物步入快速衰老和病變狀態(tài)。在生物體生命系統(tǒng)中,維持健康的必要條件是負(fù)熵流的獲取,假如生物總體熵變?yōu)檎龝r(shí),則生物本身會(huì)出現(xiàn)衰老、病變。假如總的熵變?yōu)樨?fù),則生物體呈現(xiàn)生機(jī)勃勃的狀態(tài)。3、結(jié)束語(yǔ)熵在熱力學(xué)于統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中有著舉足輕重的地位,能夠用熵描繪敘述某一個(gè)經(jīng)過(guò)能否能夠,例如對(duì)于孤立系統(tǒng)絕熱經(jīng)過(guò),可逆經(jīng)過(guò)熵不變,不可逆經(jīng)過(guò)熵增加,因而我們能夠根據(jù)熵變大小判定未知的經(jīng)過(guò)能否可逆。而對(duì)于開(kāi)放系統(tǒng),我們亦能夠利用熵變判定系統(tǒng)的有序程度,熵變?yōu)樨?fù),則有序度增加,熵變?yōu)檎?則有序度減少。熵增加原理在生態(tài)環(huán)境、信息工程、生物學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。再利用熵增加原理講解熵與環(huán)境的關(guān)系時(shí),能夠把課程思政的內(nèi)容代入到課堂當(dāng)中,在授課經(jīng)過(guò)中,使學(xué)生明白,為了地球這個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)能夠向著更有序的方向發(fā)展,每個(gè)人要盡力減小自個(gè)的熵增,只要本身的行為使得地球這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)向著有序方向發(fā)展都是在減少本身的