熵与人体

熵与人体

摘要：熵是一个古老而又年轻的概念,虽然教材上内容不多，但它有极强的生命力及非常广的应用。本文首先补充了如耗散结构、负熵等关于熵的一些热力学概念以及从热力学第二定律推导出的应用于生

物体的两个公式，然后对熵与人的疾病（如感冒、肿瘤）、衰老、生、死等现象的关系做出了一些浅显的说明。

关键字：熵人体熵变

1864年，根据热力学第二定律，法国物理学家克劳修斯在《热之唯动说》一书中，首次提出一个物理量和新的态函数——熵。1877年玻耳兹曼从现微观角度对熵做出了统计解释，首次提出了熵公式

S=klnΩ， 1943年，薛定谔在《生命是什么》一书中首先提出了负熵的概念，指出有机体是依赖负熵为生。从此，生命与熵进入了众多科学家研究的视野。

一．熵变概念的拓展：

①耗散结构：对于一个热力学过程,其熵变为ｄＳ=ｄＱ/Ｔ.如果过程是不可逆的,则ｄＳ>0. 在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。在开放系统中, 普利高津（Pringogine）将熵变写成

dS=diS+deS(1) diS表示系统内不可逆过程导致的熵产生,deS表示熵流。热力学第二定律指出,diS恒为正,是熵变的正增量。deS可为正,也可为负。对于孤立系统,des=0,热力学第二定律可写成dS=diS≥0；对于开放系统,当deS为负值(负熵流)且｜deS｜>｜diS｜时,则有

dS=diS+deS≤0，即负熵流可使总熵减少,由相对无序状态向相对有序状态发展；若dS=0,有diS=-deS,系统处于有结构的平衡状态。

②负熵：Ω是无序的度量，它的倒数1/Ω可以作为有序的一个直接度量，玻尔兹曼的方程式还可以写成这样：-S=kln(1/Ω),即负熵。负熵的来源有两类：一类是“有序来自无序”即有机体吸收外界无序经过加工变为自身有序，这就是所谓“加工成序”，如氧气。另一类是“有序来自有序”即将从外界获得的秩序进行同化变成自身的秩序，这就是所谓“同化成序”，如，碳水化合物、液态水等。有机体生成过程就是从外界吸收这些低熵物质并消耗以满足正常生命活动和脑

力活动需要，同时产生大量废渣等高熵物质，如CO2：、尿、汗及其他排泄物，以此来与熵增作斗争。

③熵具体应用于生物体根据开放系统的热力学理论可以算出,其

熵变ΔS=ΔQ/T- μjΔeNj/Ｔ- μjΔiNj/T(2).式中,ΔＱ代表生命系统与外界环境交换的总热量,ΔeNj代表生命系统与外界所交换的第ｊ种组元物质的摩尔数,ΔiNj代表生命系统内部各种生化反应所引起的第ｊ种组元物质摩尔数的增加,μj为第ｊ种组元物质的化学势,Ｔ为生命系统(人)的温度。如果我们用ΔＱ吸表示生命系统从外界吸收的热量,用ΔＱ放表示生命系统向外界放出的热量;用Ｓ0表示生

命系统在某一时刻的定态熵,Ｓ表示生命在其后任意时刻的定态熵,

则系统与外界交换的热量ΔＱ=ΔＱ吸-ΔＱ放,系统的熵变ΔＳ=Ｓ-Ｓ

ΔＱ吸Ｔ-ΔＱ放Ｔ-μjΔeNj/T-μjΔiNj/T(3)。

0=

二、熵与人体

生命有机体不断与周围环境进行物质与能量的交换，通过新陈代谢从外界吸收低熵物质，并将其消耗以满足正常生命活动的需要，同时产生大量的高熵物质，使得机体系统的总熵变小于零(dS|diS|时，ΔS<0,系统总熵变小，系统从一定的有序结构上升到更高的有序结构，在生命体中就是生命的发育、生长过程；若dS=0,即diS=deS,系统处于有结构的平衡状态，可以理解为人等生物的青壮年时期，在总体上熵值没有大的变化，处于平衡时期；而当diS>deS时就可以理解为是人体的老年时期，ΔS>0，系统总熵值不断增大，人也不断衰老；而当S达到最大时，整个生命体呈现出高度无序性，系统高度混乱，人也就不可避免的面对死亡。如果生命系统出现短期或局部的熵积累过多，使得系统的熵变ds>0，便出现了短期或局部的混乱、无序状态，这就是生病。

（1）熵与疾病

①熵与感冒感冒有两类：一类是受凉感冒，人在剧烈活动时体内新陈代谢加快，产生比正常情况下更多的热，人呼吸加速，皮肤的毛孔也张开加速向外排热，以维持系统总熵不增加。如果这时突然受凉皮

肤就会把这一感觉传给大脑，大脑指挥身体产热暖肤，同时又令毛孔收缩，阻止体内热量排出，这样体内原来产生的熵不能排出，又产生了新的熵使体内积熵大大超过正常值造成Δ s>0，系统的无序增加出现紊乱就有可能发生感冒，表现为头晕眼花、四肢无力等症状；另一类是受热感冒，人在高温环境下工作时间过长，由于环境温度较高，人的代谢加快产生较多的熵，同时由于环境温度高于人体较多使人体向外排熵困难，长时间在这种高温环境下人体内积熵增加(Δs>0)就出现了头晕、恶心等感冒症状，这类感冒也叫中暑或热感冒。再如内热、上火等都是由于体内熵增多、排熵不畅而引起的“熵病”。

人体具有自我调节机能。热力学理论可以导出单位时间内通过辐射体单位面积辐射出的热(熵)与温度的三次方成正比，也就是说体温越高排热成三次方加快，有利于人恢复到ΔS≤0的状态，因此发烧可以理解为人体自动加快排熵的现象。感冒起因是因为人体系统△S>0，治疗是为了使系统熵不增加或减少即△s≤0。如中医的原则是“发热清汗”(排熵)，而西医则是用药物“灭菌消炎”(增加负熵)。从熵的角度来看,二者实质相同,都是为了“清除积熵”。至于护理则要在饮食方面应多吃一些易于消化的(高能低熵)食物：以葡萄为例，其ΔS=-585．8J／(mol·k)。要多喝水，液态水不具有化学能，但具有较高气化热(18cal／mol·k)且能将废物溶解变为高熵物质排出体外，带出大量熵。当然，预防是主要的，我们发现许多微量元素的ΔS都小于零，如Ca2+的ΔS=-53.1 J/(mol·k),Fe2+的ΔS=-138J/(mol•k),Zn2+ 的为-112 J/(mol·k),Mg2+的为-138.1 J/(mol·k)，这也可