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讨论：关于"自由能"概念的困惑
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现已走入2008年,首先想对各位斑竹,还有这里的热心网友说新年好,望你们工作生活顺利 今天想问的问题是关于"自由能"概念,我发现这个概念还是蛮重要的. 他的定义是:F=U－TS. 有些书上说：自由能Ｆ是衡量系统能量Ｕ和熵Ｓ竞争态势。 能量和熵怎么会竞争啊？量刚都不一样，怎么会竞争？ 系统的内能和温度是两回事吗？ 还望各位大虾能不吝惕教，不胜感谢：） [ Last edited by zt970831 on 2008-1-10 at 16:45 ] |
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musi429(金币+2,VIP+0):多谢交流~
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热力学第一定律早已指出，自然界中任何热力学过程都必须遵守能量转化和守恒定律，它告诉我们能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式。然而，在科技飞速发展和社会工业化的今天，我们看到的是人口急剧增长,水资源日益紧缺,土壤沙漠化日趋严重,各种非再生能源消耗殆尽。其中似乎有一只看不见的手在发生作用，这就是“熵”。熵（Ｅｎｔｒｏｐｙ）是热力学第二定律的核心概念。这一定律指出了实际宏观过程的不可逆：除由于摩擦、粘滞等因素引起的机械能转变为内能的过程，功变热的过程即机械能转变成为内能的过程是不可逆的；热量总是从高温物体（系统）传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体；气体的自由膨胀和扩散过程都是不可逆的。例如，汽车关闭发动机的汽车滑行过程中，机械能经摩擦转变为内能，使地面温度升高，但是我们无法在不改变任何条件的前提下让地面温度降低，静止的汽车再重新运动起来。再例如我们把一杯开水置于室内, 如果把房间和杯子看作一个孤立系统，开水的热量要向四周散发,直至它的温度降到和室温一样,这时热量交换的过程停止，而已散发在室内的热量,却不可能自动地重新聚集到杯中,使水再次沸腾。在大自然中, 我们可以看到嵯峨雄伟的高山,经长年的风化,逐渐变成砂砾乱石，婀娜多姿的百花,最终也要“零落成泥碾作尘”。这些都是熵定律在起着作用。 经典热力学熵的概念是由克劳修斯(Clausus)于1854年被首次提出。认为在孤立的系统内, 热分子的运动总是从原来集中、有序的排列状态,趋向分散、混乱的无序状态，因此系统从有序向无序转化的自发过程中，熵总是增加的，用符号表示为 。当熵在一个系统内达到最大时,这个系统就进入能量平衡状态。这时,系统内再没有自由能来进一步作功,整个系统就呈现出一种静寂的状态。从自由能的角度，我们也可以这样理解，将自由能定义为F=U-TS，公式中F表示自由能，U表示内能，也可以看做所有能量的总和。在做功过程中，只有内能U-TS这一部分可以转变为可利用的功，它是“自由能”，而另一本分TS似乎被束缚住了，不能转变为功，被称作束缚能。由上式可以看出，在自然界中如果消耗能量越多，即获得的可利用的自由能越多，则消耗的能量越多，产生的束缚能就越多，系统的无序化程度就越高，同时，由于世界总能量总是一定的，则能量消耗的越多，熵增加的越快，可被利用的有效能量就越少。 物理学中熵的概念出现，意味着，随着我们的社会发展，能量消耗的增大，我们的世界的熵正在不断增大，社会正走向无序，而现在出现的能源问题、环境问题、人口爆炸性增长问题等又恰好印证了熵增的原理。因此一些持有悲观的社会发展观点的人认为，当我们在开采矿石、生产粮食、加工食品的过程中，同时耗费了别的物质和能量，部分能量被吸收进了产品，而还有不少能量则浪费掉了。社会的发展随着经济财富的增多，能量丧失得越多，熵也增加得越多。因而，人类在以自己的劳动创造商品的价值时，也在增大着地球上的熵。总有一天，当我们再无能源可用，称之为“热寂”时，人类的文明社会终将走向悲剧化结局。那时一切自然、生命将销声匿迹，世界再也没有温暖明媚的阳光、清新扑面的微风、波涛起伏的海浪，世界处于一片混乱和无序之中。总的说来，这些悲观论者认为人类社会的发展是一个衰灭过程。 二、耗散结构论为社会发展前景带来生机 从悲观社会熵增的观点来看，熵增加就是有效能量的减少,有效能量使用过后成为无效能量即“垃圾”，人类科学技术的迅速发展正产生出比他“创造”出来的“财富”更多更有害于人类的垃圾。人类只能减慢熵的增长和延缓走向“热寂”的速度。我们的社会会在一片“热寂”中消失吗？不。耗散结构论为我们的思维开辟了一片新的天地。 耗散结构现象是在上个世纪初由贝纳德发现的：从下面给一杯静止液体加热，液体不断从杯底吸收热量，又不断从表面释放热量,使受热液体形成一定温度梯度，当温差一旦超过某一临界值时，液体的定态会随即失稳，在宏观突然出现许多规则有序的六角形对流“贝纳德花纹”。1969比利时学者普里斯高金(l.Prigogine) 在对热力学第二定律的研究基础之上，在非平衡态热力学中提出了“耗散结构”的概念，他认为“在开放系统和远离平衡态条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中，通过能量耗散过程和内部非线性动力学机制形成和维持的宏观时空有序结构，称之为耗散结构。” 他的研究将宏观系统分为三种类型：一是孤立系统。它是与周围环境不产生物质和能量交换的系统，这种系统的运作服从于热力学第二定律，其内部宏观状态总是随着时间的持续趋于平衡，达到完全平衡时，系统内部宏观状态不再随时间发生变化；二是封闭系统。它与外界环境交换能量，不交换物质，总体上看,其宏观系统近乎孤立系统，其运行状态从长时期看也遵从热力学第二定律；三是开放系统，它既与外界交换能量，又与外界交换物质。例如生物细胞、城市均是典型的开放系统。 普里戈金的耗散结构论研究的对象不是孤立系统，也不是封闭系统，而是开放系统。他研究的重点着眼于用热力学来阐明生命等系统自身的进化过程。根据热力学第二定律,系统的熵变 。第一项是代表系统内不可逆过程产生的熵 ，为正值或零；第二项代表系统与外界交换物质、能量所引起的熵流 ， 既可为正也可为负。耗散结构论认为，如果当开放系统与外界交换物质、能量达到一定程度，熵流为负且其绝对值大于熵产生时即 时，总熵变ｄＳ可以小于零，系统通过熵减可以形成新的有序结构。概言之，在远离平衡态条件下开放系统，通过负熵流的增大可使系统形成有序结构。这样，耗散结构论通过强调系统的开放性以及负熵流对于系统演化与发展的重要作用，在不违反热力学第二定律的条件下，证明了系统从无序状态转化为新的有序状态的可行途径，对进化与退化给予了统一的理论描述。这一结论不仅可以与达尔文生物进化论相统一，同时也能很好的解释社会的发展进步。 实际上，开放性是物质世界中一切系统的普遍属性，绝对的孤立系统是不存在的，它只不过是人们在思维活动中简单化操作的产物。耗散结构论注重系统的开放性和系统与外界间相互作用，认为在物质世界的各类系统的进化与退化竞争中，总会不断产生出新的更加有序化的耗散结构，这些过程构成了不断多样化与趋向复杂化方向的物质世界发展图景。由此否定了克劳修斯将热力学第二定律的熵增原理用来论述宇宙演化所得出的“热寂说”，为我们社会能够从低级向高级、从简单向复杂、从有序程度低的社会向有序程度高的不断向前发展带来了生机。 三、社会的可持续发展 以上不同的热力学观点应用于社会的发展，我们得到的是两个截然不同的观点。它们看似矛盾，其实不然。热力学第二定律所描述的趋向平衡，走向混沌的发展观与自然界及社会现象中总结出来的由简单到复杂、由低级到高级、由无序到有序的发展观并不是对立的，支配这些现象的规律是同样的。所不同的是,前者或是孤立系统，不与外界交换物质和能量，或虽是开放系统，但处于热力学平衡态或近乎平衡态，总熵流大于或等于0；后者则是远离平衡态的开放系统，与外界有物质和能量的交换。普里戈金借用了薛定谔最早提出的负熵流概念，指出，在不违反热力学第二定律的条件下，远离平衡态的开放系统可能通过物质能量交换中负熵流的引入来减少总熵，从而使系统达到一种新的稳定的有序状态，这就是耗散结构状态。 耗散结构论为我们的未来描绘了一个无限的发展前景，因为我们可以把整个世界看成一个开放系统，从整个宇宙而言，我们有万世不竭的能源,取用不尽的资源。虽然我们已知道,煤、石油等矿物资源在地球上是有限的，但氘氚等热核燃料，却近乎于无穷。即使地球上的资源枯竭了，人类还可以向太阳系的其它行星移民，把美好的生活不断延续下去。但这毕竟只是一种幻想。耗散结构论本身也并不否定系统内不可逆熵是在不断增大的，我们必须面对的严峻现实，地球上的熵正在不断增加，人们不能再把经济的增长建立在挥霍地球上宝贵的能源上，人口突增、环境恶化、疾病流行，正向人类社会的生存与发展提出了严峻的挑战，我们必须面对可持续发展的问题。 熵的理论告诉我们，有序的系统才是高级的。我们的社会要不断向前发展，实现熵减过程，可以有两个途径：第一，增大负熵流的输入；第二，减小系统自身内不可逆增熵流的增大。因此为实现社会的持续向前发展，可以从以下几方面考虑： 1． 社会全方位开放 从熵的角度而言，无论是个人还是一个民族国家，要向前发展，就必须增大负熵流的输入，因此我们需要将系统全方位开放，广泛开展交流与合作活动。试想一下，一个没有对外交流的小山村永远只能处于一种落后的状态。中国近代的历史也是一个很好的实例，说明只有开放才能获得发展。 2． 保护环境，建立“低熵值”的经济发展模式 现在，在统计一个国家的财富时，人们往往采用国民生产总值（ＧＮＰ）的指标。这就使人们经常考虑的经济价值的获取而忽略了对自然资源的保护，造成经济的高增长以牺牲环境为代价。比如为实现工业生产的低成本而随意排放废气、废水，造成水质污染、土壤酸碱化、空气污染等。再比如现代城市的高科技通信设备、汽车云集、高楼大厦，也给环境带来了电磁波、废气、噪声、光污染等。当人们住在高楼大厦中享受着移动通信、空调、汽车的同时也加快了能量的转化和熵增大的过程。今后的社会发展再也不能以牺牲环境为代价换取发展，我们要建立一种人与自然相和谐的发展形式，让我们四周的环境鸟语花香，在利用科技获得高的生产效率的同时也要用于改善我们的环境，建立一种“低熵值”的经济发展模式。 3． 社会法制化、秩序化 熵的理论告诉我们，有秩序的体系才是高级的，因此我们要以高度的法制来约束人们的社会行为，否则，我们的社会会因为内耗而增大系统内不可逆熵。比如战争、前苏联社会的解体、中国的文化大革命都造成了社会的动荡、无序，从而使整个社会的发展停滞甚至严重倒退。而维护整个社会的有序，并不是哪个国家或是民族的事情，而应该是我们每一个人应尽的社会责任和义务。 总的说来，已被科学家发现有一个多世纪熵定律，如今超越了热力学的范围，引起了人们的广泛重视, 自然科学理论对于科学界以外的人们的思想、观念和方法也同样有重要的启示。人类正站在发展的十字路口，我们不能在仅仅考虑的价值的增加、产值的增长而忽略熵的增长了，未来的发展之路必然是对社会如何实现可持续发展之路的不断探索！ |
6楼2008-01-03 11:54:11
zt970831
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