第5讲 热力学 熵与生命
熵
• 系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀
程度，系统的熵值越小 程度，系统的熵值越小，它所处的状态越 是有序，越不均匀；系统的熵值越大，它 有序，越不均匀；系统的熵值越大 所处的状态越是无序，越均匀。 所处的状态越是无序，越均匀。 • 系统总是力图自发地从熵值较小的状态向 熵值较大（即从有序走向无序）的状态转 变，这就是隔离系统“熵值增大原理”的 微观物理意义。
• 2.系统外部 2.系统外部
（1）.从国外摄取负熵，以补充国内正 从国外摄取负熵， 例如出口，掠夺战争等。 熵。例如出口，掠夺战争等。 （2）.直接从自然界摄取负熵，以补充 直接从自然界摄取负熵， 国内正熵。例如：采矿，砍伐森林等。 国内正熵。例如：采矿，砍伐森林等。
• 一个国家可以通过多种手段来实现正熵与
• 1.自然界无法承受熵增而崩溃，人类社会也随着崩溃。 1.自然界无法承受熵增而崩溃，人类社会也随着崩溃。 • 2.自然界无力补充人类社会所需的负熵，人类社会崩溃， 2.自然界无力补充人类社会所需的负熵，人类社会崩溃，
自然界则逐步重新得到平衡。
• 3.自然界无力补充人类社会所需的负熵，人类主动寻求人 3.自然界无力补充人类社会所需的负熵，人类主动寻求人
事物从有序向无序变化则熵增加， 可称之为正熵。 可称之为正熵。 事物从无序向有序变化则熵减少， 可称之为负熵。 可称之为负熵。
生命熵
生命体是一个开放的系统，时刻与外 生命体是一个开放的系统， 界进行着物质、能量、信息的交换， 界进行着物质、能量、信息的交换，符合 耗散结构” “耗散结构”，可以用熵来分析一个生命 体从生长、衰老、病死的全过程， 体从生长、衰老、病死的全过程，用“生 命熵”来独立定义。 命熵”来独立定义。
生命负熵来源
对于人类，有序化的能量形式是多种多样的， 对于人类，有序化的能量形式是多种多样的， 并且随着生产力的发展而不断扩展 人类——最早的有序化能量主要是食物 最早的有序化能量主要是食物， 人类——最早的有序化能量主要是食物，火的应 用拓展了食物的范围； 用拓展了食物的范围； ——按照不同的需要建造各种扩展耗散结构 ——按照不同的需要建造各种扩展耗散结构， 按照不同的需要建造各种扩展耗散结构， 间接地把许多形式的无序化能量转化为有序化能 量； ——通过发电设备将各种水力 煤炭、石油、 ——通过发电设备将各种水力、煤炭、石油、 通过发电设备将各种水力、 核能、风能、太阳能等无序化能量转化为电能； 核能、风能、太阳能等无序化能量转化为电能；
热力学的熵增原理
热力学的熵增原理热力学是研究物质和能量之间转化关系的学科，而熵增原理则是热力学中的基本原理之一。
熵可以理解为系统的无序程度或混乱程度，熵增原理指出在孤立系统中，熵会不断增加。
1. 热力学和熵的基本概念热力学是一门研究能量与物质转化关系的学科，它描述了物质和能量之间的相互作用。
而熵则是一个用于衡量系统无序程度的物理量，它是一个统计学的概念，与能量和热量的转移有密切的关系。
熵增原理是热力学第二定律的基础。
2. 热力学第二定律热力学第二定律有多种表述方式，其中一种就是熵增原理。
它指出在一个孤立系统中，系统的熵将始终增加，而不会减少。
简单来说，孤立系统中的不可逆过程会导致系统的熵增加，而可逆过程则不会改变系统的熵。
3. 熵增的物理解释为了更好地理解熵增原理，我们可以从微观和宏观两个层面来解释。
从微观层面来看，系统中的微观粒子呈现出的无序状态增多，导致系统的熵增加。
从宏观层面来看，熵增可以理解为能量的分散和转化，即系统中能量的流失更多，而无法再被恢复。
4. 熵增原理的数学表达熵增原理可以通过热力学基本方程来进行数学表达。
根据热力学第二定律，对于一个可逆过程，系统的熵变为0；而对于不可逆过程，系统的熵增大于0。
熵增的具体计算可以利用熵的定义公式进行推导。
5. 熵增原理的应用熵增原理在热力学中有广泛的应用，例如在工程热力学和热力学循环中，熵增原理被用于优化系统效率。
此外，在能量转化和传递过程中，熵增原理也可以作为评估系统变化的指标。
6. 熵增原理与自然界的趋势熵增原理揭示了自然界的一种趋势，即自然界的系统总是朝着更高的熵状态发展。
这意味着无论是生物体内的化学反应、行星的形成和星系演化，还是人类社会的发展，都是熵增的结果。
结论：熵增原理是热力学中的重要概念，它指出在孤立系统中熵会不断增加。
熵增原理通过数学表达和实际应用，为我们了解能量转化和系统变化提供了重要的指导。
熵增原理也揭示了自然界中不可逆过程和系统演化的普遍规律。
【工程热力学精品讲义】第5章
T1
T2 2
2. 多热源可逆循环
t
1
q2 q1
1
A1B 2 mn1 A1A2mn1
1 Aqrmnq 1 TmL 1 T2
Aopmno
TmH
T1
T
T2
．2
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T1 1
o s1
s2 s
T
T2
．2
．o.. A
.. p TmH
q
B r Tm
T1 1
L
o s1
s2 s
18
循环热效率归纳：
t
wnet q1
讨论：1) 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律；
2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的
方向判据。
27
3)
s2 s1
2 δq T 1
r irr
并不意味着
s12,rev
s12,irrev ，因
a)
2 1
δq Tr
irr
s12
b) 若热源相同，则说明 δqr δqirrev 或热源相同，热量
“有序”、“整齐”。
克劳修斯熵
dS
δQ T
rev
?
波尔茨曼熵 S k lnW
吸收热量，系统微观粒子的运动更为剧烈，微观粒子处于更
“无序”、“混乱”的状态，即熵值增大；反之放热系统微观粒子
的运动受“冻结”，使微观粒子“有序”、“整齐3”2 ，熵值减小。
33
5–4 熵方程与孤立系统熵增原理
一、熵方程 1. 熵流和熵产
q1 A34op3 THs34
t
wnet q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
1 TLs12 1 TL
高中物理第5章热力学定律第节热力学第二定律熵无序程度的量度教学案鲁科版选修1
第3、4节热力学第二定律__熵—无序程度的量度1.凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
2．热力学第二定律有两种表述，克劳修斯表述：“不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化”，开尔文表述：“不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化”；第二类永动机违背热力学第二定律，不可能制成。
3．用来量度系统无序程度的物理量叫熵，在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行。
[自读教材·抓基础]1．可逆过程和不可逆过程(1)可逆过程：一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。
(2)不可逆过程：如果用任何方法都不能使系统与外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。
2．热传导的方向性(1)热量可以自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分。
(2)热量不能自发地由低温物体传给高温物体。
(3)热传递是不可逆过程，具有方向性。
3．功和热相互转变的方向性(1)功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性。
(2)热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性。
4．结论凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
[跟随名师·解疑难]1．热传导的方向性(1)“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助。
如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程。
(2)热量从高温物体传给低温物体，是因为两者之间存在着温度差，而不是热量从内能多的物体传给内能少的物体。
由内能的定义可知，温度低的物体有可能比温度高的物体内能大。
2．热机的原理及效率(1)定义：热机就是消耗内能对外做功的一种装置。
(2)原理：热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放能量Q2。
(3)效率：由能量守恒定律知Q1＝W＋Q2，我们把热机做功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率，用η表示，即η＝WQ1×100%。
第五章热力学第二定律与熵
第五章热力学第二定律与熵教学目的与要求：理解热力学第二定律的两种表述及其实质，知道如何判断可逆与不可逆过程；理解热力学第二定律的实质及其与第一定律、第零定律的区别；理解卡诺定理与热力学温标；理解熵的概念与熵增加原理；了解热力学第二定律的数学表达式；了解熵的微观意义及玻耳兹曼关系。
教学方法：课堂讲授。
引导学生深刻理解热力学第二定律的实质。
通过介绍宏观状态与微观状态的关系来阐述熵的微观意义与玻耳兹曼关系，加深对熵概念的认识。
教学重点：热力学第二定律的两种表述及其实质，热力学第二定律的实质，与第一定律、第零定律的区别，熵的概念与熵增加原理教学时数：12学时主要教学内容：§5.1 热力学第二定律的表述及其实质一、热力学第二定律的表述在制造第一类永动机的一切尝试失败之后，一些人又梦想着制造另一种永动机，希望它不违反热力学第一定律，而且既经济又方便。
比如，这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功（无需向低温热源放热）。
由于海洋和大气的能量是取之不尽的，因而这种热机可永不停息地运转做功，也是一种永动机。
1、开尔文(Kelvin) 表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其它影响。
说明：单一热源：指温度均匀的恒温热源。
其它影响：指除了“由单一热源吸收热量全部转化为功”以外的任何其它变化。
功转化为热的过程是不可逆的。
思考1：判断正误：功可以转换为热，而热不能转换为功。
---错，如：热机：把热转变成了功，但有其它变化：热量从高温热源传给了低温热源。
思考2：理想气体等温膨胀过程中，从单一热源吸热且全部转化为功。
这与热二律有矛盾吗？---不矛盾。
理气等温膨胀：把热全部变成了功，但系统伴随了其它变化：气体的体积膨胀。
2、克劳修斯(Clausius)表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它影响。
“热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的”“热量不能自发地从低温物体传到高温物体” 思考3：判断正误。
第五讲 理想气体热力学能、焓、熵的计算
h c p (T2 T1 )
c a1 a2t a3t 2
有4种方法进行计算确定热力 学能和焓的变化量 •真实比热容法：见右图，根据定义
u cv dT 图中曲线下的面积
h c p dT 图中曲线下的面积
1
2
1 2
0 1
2
u (a1 a2T a3T 2 a4T 3 ...)dT
t1
2
2
1
t 2 t1
t0
t0
t 2 t1
c m 0 t 2 c m 0 t1 t 2 t1
2
1
注意：这里温标不用热力学温标 •定值比热容 适用于气体温度较低且温度变化范围不大、或计算精度要 求不高时 例题 3.3 ： 1kg 空气，初始状态为 p1=0.1MPa ， t1=100℃， 分别按定容过程和定压过程加热到相同的温度t2=400℃。 试求加热过程所需的热量。 （1）按定值比热计算；（2）按平均比热计算。
0 0
不同方法计算数据是稍有差别的
3.7 理想气体混合物
特征：理想气体混合物是由各种单一的气体混合而成，此 处无论是单一气体还是混合后的气体均符合理想气体模型。 讨论目标：各组元成分、气体常数、比热容、热力学能、 焓和熵。 组元成分定义
1）质量分数 2）摩尔分数
mi wi m
ni xi n
•各组元分压力关系：
p
i
i
p
混合物 T, V, n, p
组元1 T, V, n1, p1
组元2 T, V, n2, p2
组元3 T, V, n3, p3
•分体积
分体积含义：设钢性容器内有理想气体混合物，现让其
热力学中的熵的定义与应用
热力学中的熵的定义与应用熵（Entropy）是热力学中的一个重要概念，是描述物质的无序程度的物理量。
熵的定义很多人都已经听说过，“熵是系统的无序程度”，但是对于它的具体含义以及应用却不太清楚。
本文将就熵的定义与应用进行深入探讨。
一、熵的定义熵最初是由德国物理学家克劳修斯（Rudolf Clausius）在1850年左右提出的，在他的研究中，他发现了许多热力学中的定律，并提出了熵的概念。
熵的定义比较复杂，但是可以简单概括为：系统的熵是系统的无序程度的度量。
其实，熵也可以理解为一种热力学状态函数，它可以描述系统各个微观状态的概率分布，即熵越大，系统的状态越不确定，无序程度越高；反之，熵越小，系统的状态越趋于有序，无序程度越低。
二、熵的应用1. 熵与热力学第二定律熵与热力学第二定律紧密相关。
热力学第二定律指出，任何一个孤立系统都不可能在不受外界影响下自发地从无序状态转化为有序状态，也就是说，系统总是朝着无序状态的方向演化。
而熵就是描述系统从有序状态向无序状态转化的过程中所增加的状态函数。
具体来说，考虑一个孤立的系统，它可以分为两部分：热源和热机，热机可以从热源中提取热能来产生功，但是会产生热量。
热力学第二定律描述了这样一个事实：在这个过程中，热量总是从高温体流向低温体，而不会反向流动。
这个流动的过程导致了热源和热机之间的温差不断减小，最终热机将无法继续产生功。
根据热力学第二定律，这个过程中熵不断增加，最终趋于最大值，也就是系统的无序程度达到了最高点。
2. 熵与信息论除了在热力学中的应用，熵也被广泛运用在信息论、通信等领域。
在信息论中，熵用于描述信息的不确定性。
一个随机事件发生的概率越低，给人的信息量就越大，它所包含的不确定性就越高，对应的熵也就越大。
在通信中，信息的传输速率受到信道的限制，信道的容量取决于其噪声特性、信号强度和带宽等因素，但是对于一个给定的信道，信息传输速率的上限就是信道的熵，这个上限被称为香农公式，它对于无线通信、数据压缩等领域都有着重要的意义。
热力学中的熵
热力学中的熵热力学中的熵：自然界的不可逆性指示器熵是热力学中一个重要的概念，被认为是自然界不可逆性的指示器。
简单来说，熵可以理解为系统的混乱程度。
热力学中的熵更多是通过数学公式来描述的，但它背后所包含的深层含义，却是人们长期以来努力探索的课题。
首先，我们需要了解热力学的不可逆性。
不可逆性是指一种过程在发生后无法完全逆转到原始状态。
例如，我们将一杯热水和一杯冷水混合在一起，热量会从热水传递到冷水，最终使得整个系统温度达到一个均衡状态。
这个过程是不可逆的，因为我们无法将热量从冷水传回到热水中。
这样的过程中会产生熵的增加，即使系统的总能量没有改变。
熵的概念由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯于19世纪中期提出。
克劳修斯将熵定义为一个系统在某个状态时所具有的性质，这个性质与系统的热力学参数如温度、压力和体积等无关。
熵的数学定义为S = k ln W，其中S表示熵的值，k为玻尔兹曼常数，W为系统的微观状态数。
这个公式可以解释为熵是系统状态的一种度量，它与系统的微观状态数成正比，即系统的状态越多样化，熵的值就越大。
可以这样理解，当一个系统处于一个有序状态时，它的微观状态数相对较少，熵的值也较低。
但当系统变得混乱无序时，系统的微观状态数增加，这时熵的值也会增加。
所以，熵可以被看作是系统无序程度的度量。
熵在自然界中具有广泛的应用。
它解释了为什么一切事物都朝着不可逆方向发展。
例如，拿一本书举例，如果我们将书碎成碎片，再将这些碎片撒到空中，书就不可能重新排列成完整的形态。
这个过程中，熵的增加使得书变得更加无序。
熵还可以用来解释为什么热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。
根据熵增原理，一个系统与环境接触时，总的熵会增加。
热能的传递是一个不可逆过程，因为热量从高温物体流向低温物体时，系统的熵增加了，而系统从低温物体流向高温物体时，系统的熵减少。
这就是为什么热流只会自发地从高温物体流向低温物体的原因。
除了理解自然界的不可逆性，熵还有广泛的应用于化学反应和生物学等领域。
熵与生命
熵与生命一个健康的生物体是热力学开放系统，基于处于非平衡态的稳态。
生物体内有血液流动、扩散、各种物质生化变化等不可逆过程发生，体内熵产生ds/dt>0.对人体而言，摄入的食物是蛋白质、糖、脂肪，是高度有序化、低熵值得大分子物质，排出的废物是无序的、高熵值的小分子物质。
保持d e s<0,以抵消机体内不可逆过程引起的熵产生d i s>0,以维持生命。
自然界并没有负熵的物质。
熵是物质的一种属性，可将物质区分为高熵和低熵物质。
生命的基本特征是新陈代谢，从熵的角度看新陈代谢实际上是生命体汲取低熵、排出高熵物质的过程。
动物体摄取的多糖、蛋白其分子结构的排列是非常有规则的，是严格有序的低熵物质，而其排泄物却是相对无序，这样就引进了负熵流。
植物在生长发育的过程中离不开阳光，光不仅是一种能量形式，比起热是更有序的能量，也是一负熵流。
当系统的总熵变小于零时，生命处在生长、发育的阶段，向着更加高级有序的结构迈进。
当总熵变为零时，生命体将维持在一个稳定、成熟的状态，而总熵变大于零的标志则是疾病、衰老。
疾病可以看作是生命体短期和局部的熵增加，从而引起正常生理功能的失调和无序，治疗则是通过各种外部力量干预机体，促进吸纳低熵、排出高熵。
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。
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，直至极值而死忙，这是一个不可抗拒的自然规律。
李宏柳1333101513药升（1）班。
第5讲 热力学 熵与生命
骑了4个小时，则消耗的内能为
若消耗的能量来自体内脂肪，查表5-1中数据，可计 算此期间用去的脂肪为
思考题5-2 65kg的人静坐一整天需要消耗多少内能？ 比较骑车人，对大多数人来说，减少体重更为实际的 方法是限制进食还是运动锻炼？
5.3
循环过程卡诺循环 5.3.1 循环过程及其效率
目的：制造能连续进行热功转换的机器——热机、制 冷机
3
2
p/atm
2
mRT1 V1 2.46 10 3 m3 Mp1
V2 2.46 103 m3 p2 3atm
p2 T2 T1 900 K p1
1
1 4
3
V1 V4
V3
V
p2V2 3 3 T3 900K p3 1atm V3 7.38 10 m p3 V3 3 3 p4 p3 1atm V4 3.69 10 m 2 V4 T4 T3 450K p/atm V3
第二类永动机不可能制成. 可以证明 热力学第二 定律两种表 述的一致性
Q
克劳修斯说 开尔文说
热力学第二定律的实质在于指出, 一切与热现象有关的 实际宏观过程都是不可逆过程. 注意理解 1. 热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到 高温物体.
例: 电冰箱
关键词: “自动”即热量从低温物体传到高温物体不 能自发进行, 不产生其他影响. 2. 热力学第二定律指出了热传导方向性: 高温 低温 自动 低温 高温 （外界做功）
QT W
m dV W RT V1 M V m V2 RT ln M V1
V2
m p1 RT ln M p2
例题5-1 今有0.016kg的氧气，初始为标准状态，经历 下列各过程并吸收热量300J，若过程（1）为等温过程， 求终态体积；（2）为等体过程，求终态压强； （3） 为等压过程，求内能的变化.
《熵与熵增加原理》课件
熵与信息的关系
熵与信息之间也存在一定的关系。在信息论中，熵被定义为系统不确定性的度量，即系统状态的不确 定性越大，熵就越大。
在通信过程中，信息传递的过程实际上就是熵传递的过程。通过传递信息，可以降低系统的不确定性 ，即降低系统的熵值。
05
CHAPTER
熵在现代科技中的应用
熵在能源领域的应用
能源转换与利用
02
CHAPTER
熵增加原理
熵增加原理的表述
熵增加原理是热力学第二定律的核心内 容，它表述为：在一个封闭系统中，总 熵（即系统熵与环境熵的和）总是增加 的，即自然发生的反应总是向着熵增加
的方向进行。
熵是一个描述系统混乱程度或无序度的 物理量，其值越大，系统的混乱程度或
无序度越高。
在封闭系统中，如果没有外力干预，系 统总是会自发地向着熵增加的方向演化 ，即向着更加混乱或无序的状态演化。
此外，熵增加原理还可以帮助我们理 解信息论和热力学的基本概念，以及 它们在物理学、化学和生物学等领域 的应用。
03
CHAPTER
熵与热力学第二定律
热力学第二定律的表述
热力学第二定律指出，在封闭系统中 ，自发过程总是向着熵增加的方向进 行，即系统的熵永不自发减少。
这一定律揭示了热力学的自然规律， 是热力学理论体系的重要组成部分。
熵增加原理的证明
熵增加原理可以通过热力学的基本定律来证明，特别是第二定律 。
第二定律指出，对于封闭系统，热量总是自发地从高温向低温传 递，而不是自发地从低温向高温传递。这是由于热量在传递过程 中总是伴随着熵的增加，即无序度的增加。
通过分析热力学过程，可以证明在封闭系统中，系统的熵总是自 发地增加，从而证明了熵增加原理。
热力学的熵概念及其应用
热力学的熵概念及其应用熵是热力学中一个重要的概念，它描述了系统的无序程度或者混乱程度。
熵的概念最早由奥地利物理化学家博尔兹曼提出，并且在物理学、化学、生物学等科学领域中有广泛的应用。
熵的概念源于热力学第二定律，即熵在一个孤立系统中只能增加或保持不变，而不能减少。
根据熵变的定义，当一个系统由有序向无序转变时，系统的熵会增加。
反之，当一个系统由无序向有序转变时，系统的熵会减少。
熵变的计算可以通过统计力学的方法进行，通过计算系统的微观状态数目来得到系统的熵变。
熵的概念不仅在理论上有深刻的意义，而且在实际应用中也发挥着重要的作用。
在化学反应中，熵变可以帮助我们判断反应的方向和速率。
根据熵变的正负可以判断反应是可逆的还是不可逆的。
当反应的熵变为正时，反应是自发进行的，而当反应的熵变为负时，反应是不可逆的，需要外部条件的作用才能进行。
另外，熵也在热力学循环中有重要的应用。
在热力学循环中，系统从高温热源吸收热量，然后通过做功的方式将部分热量转化为机械能，最终将剩余的热量排放到低温热源中。
根据热力学第二定律，熵在这个过程中会增加，因此系统的效率不可能达到100%。
熵增加也意味着有损耗的产生，因此我们需要不断优化系统的设计来提高能量利用效率。
除了在热力学中的应用，熵的概念也被引入到其他领域中，如信息论。
在信息传递中，熵被用来描述信息的不确定性，即信息的有序度。
当信息的熵越大时，信息的不确定性越高，而当信息的熵越小时，信息的不确定性越低。
这个概念对于数据压缩、信息传输和密码学等领域具有重要意义。
总的来说，熵作为一个量化系统的无序程度的指标，在热力学、化学、生物学、信息论等领域都有广泛的应用。
熵的引入丰富了我们对自然界中各种现象的理解，它不仅是热力学的核心概念，也是科学发展中的重要里程碑。
通过深入研究熵的概念及其应用，我们可以进一步拓宽我们对自然界、人类社会和技术发展的认识，为科学技术的创新提供理论基础。
大学物理教程5.5 熵 熵增加原理
Si
S2
S Si
i
由熵增原理可以判断，在自发过程中以平衡态的熵最大
第10章 热力学定律
5.5 熵 熵增加原理
4、一般系统的熵变由熵流和熵产生两部分构成
孤立系统
5、熵增加原理只适用于绝热系和孤立系。如果系统 与周围介质之间有热量交换，必须引入新的态函数再 作判断。
第10章 热力学定律
5.5 熵 熵增加原理
第10章 热力学定律
5.5 熵 熵增加原理
2. 推广到任意循环
任一可逆循环，用认为是由一系列微小可逆卡诺 循环组成： P
V 每一 可逆卡诺循环都有：
第10章 热力学定律
Qi1 Qi 2 0 Ti1 Ti 2
5.5 熵 熵增加原理
所有可逆卡诺循环加一起： 分割无限小：
Qi T 0 i i
从微观上看，系统一确定的宏观态可能对应非
常多的微观状态。 宏观状态对应微观状态数目称为该宏观态的热 力学几率。
第10章 热力学定律
5.5 熵 熵增加原理
例：以气体分子位置的分布为例说明宏观态与微
观态的关系：设有4个分子，并编上号1、2、3、4，将
容器分为左、右两半（A, B两室） 12 3 4
结论 1） 分子在两室中的每一种具体分布叫系统的一 个微观状态。
dQ dS T
第10章 热力学定律
5.5 熵 熵增加原理
四 熵(差)的计算 1) 确定初末态； 1 2) 选择可逆过程连接初末态； 3) 计算热温比积分
2
c2
S 2 S1
2
1
dQ 可 T
第10章 热力学定律
5.5 熵 熵增加原理
例： 求理想气体从初态 P0、V0、T0 准静态地变
生命与熵的关系
生命与熵的关系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。
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。
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。
《熵与熵增加原理》课件
欢迎来到《熵与熵增加原理》的课件演示。我们将探讨熵的概念和熵增加原 理，了解它们在热力学、化学反应、生命科学和能源转换中的应用。
什么是熵？
熵是描述系统无序程度的物理量，也代表了系统的混乱程度。它是理解自然 界中事件发展方向的重要基础。
热力学第二定律
熵增加原理是基于热力学第二定律的，回顾一下热力学第一定律，并探索热 力学第二定律在自然界中的应用。
总结
通过学习本课件，你将深入了解熵的概念、熵增加原理的意义以及它们在各个领域中的广泛应用。希望本课件 能够帮助你更好地理解这一在孤立系统中，系统的熵总是会增加，从而导致系统向更高 熵的状态演化。
熵增加原理的应用
熵增加原理在各个领域都有广泛应用。我们将介绍在化学反应、生命科学和能源转换领域中熵增加原理的实际 应用。
熵增加原理的应用举例
化学反应中，熵增加原理解释了反应的方向性和产物的稳定性；生命科学中， 熵增加原理帮助我们理解生命的自组织和进化过程；能源转换中，熵增加原 理解释了能量转化的效率和限制。
热力学第05章 热力学第二定律
第二类永动机不可能实现（第二定律的又一说法）
第一类永动机：不消耗能量作功。违反第一定律。
第二类永动机：从单一热源吸热并全部转化功，即热效 率为百分之百。违反第二定律。
从第二定律的表述上可以看出：
方向性问题 比 能量守恒问题 更具直观性。 故 历史上先发现方向性问题，后发现能量转换与守恒。 为什么第二定律会有不同的说法/表述？ 热现象是各种各样的，它们都有方向性的题。这个方 向性问题，是各种不同热现象的共同本质。人们可以 利用不同的过程揭示热现象的方向性的本质，故有不 同的说法。 热力学第二定律的各种说法是等效的。
c可：, 或 1； c' 1 。
逆向卡诺循环是理想的、经济性最高的制冷循环和热泵循环。现实 中很难实现。但同正向卡诺循环一样，具有重要的理论价值，为提 高逆向循环的制冷剂和热泵的经济性指出了方向。
三、两热源间的极限回热循环—概括性卡诺循环
把绝热压缩和绝热膨胀过程用其 他可逆过程代替，两过程多变指 数n相同。 T
上节课内容回顾
过程方程在p-v图及T-s图上表示（过程特性）
过程功的正负以定容线为分界(右下) 过程热量的正负以定熵线为界(右) 热力学能的增减以定温线为界(上)
(因为理想气体U=U(T))
定压(n 0)
T T s n cn
T cp 0 T cV
定温(n 1) 定熵( n ) 定容n
a）一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难；
c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输出净功微。
5.卡诺循环理论意义大，指明了一切热机提高热效率的方向。
T
c•
d•
T1
•b •a
二、逆向卡诺循环
熵在物理和生命科学中的应用探讨
熵在物理和生命科学中的应用探讨引言：熵是热力学中一个重要的概念，它描述了系统的混乱程度或无序程度。
然而，近年来，熵的概念不仅仅局限于热力学领域，它也被广泛运用于物理和生命科学中。
本文将就熵在物理和生命科学领域的应用进行探讨，并分析其在这些领域中的意义和价值。
一、物理学中的熵应用物理学是熵最早被应用的领域之一。
在热力学中，熵是一个重要的量，它可以用来描述系统的状态和变化。
熵增原理指出，在孤立系统中，熵始终趋于增加，即系统的混乱程度不断增加。
这一原理在物理学中有着广泛的应用。
1.1 熵在热力学中的应用热力学是熵最典型的应用领域之一。
根据热力学第二定律，孤立系统中的熵通常是增加的，而且系统的熵变可用来判断过程的可逆性。
在物理化学和材料科学中，熵被广泛应用于热力学计算和反应动力学的研究，对于物质的相变、反应过程和能量转化等具有重要的指导意义。
1.2 熵在信息理论中的应用信息理论是熵在物理学中的另一个重要应用领域。
根据信息论的基本原理，熵可以用来衡量信息的不确定性或混乱程度。
在通信和数据传输领域，熵被用来描述信道的容量和信息的传输效率。
此外，熵还被应用于数据压缩、图像处理和模式识别等领域。
二、生命科学中的熵应用熵的应用不仅仅局限于物理学，它也在生命科学中发挥着重要作用。
生命是有序的，而熵则是描述无序的，有人可能会想：在生命科学中，熵到底有什么用处呢？2.1 熵在生态学中的应用生态学研究的是生物和环境之间的相互关系。
熵在生态学中的应用主要是描述生态系统的稳定性和复杂性。
生态系统的稳定性与熵的关系可以通过生物多样性进行解释。
一个生态系统中的生物多样性越高，其熵也就越高，而高熵意味着生态系统更加复杂和不稳定。
因此，熵在生态学中可以用来评估和刻画不同生态系统之间的稳定性和复杂性，并为生态保护和环境管理提供科学依据。
2.2 熵在遗传学中的应用遗传学研究的是基因的传递和表达。
熵在遗传学中的应用主要是用来描述基因组的复杂性和遗传多样性。
热学基础论文 熵——生命演化的“时间之矢”
熵——生命演化的“时间之矢”摘要：源自热力学的熵概念现已进入各个研究领域。
对于生命系统，熵原理具有极其重要的意义。
人的成长、发育、疾病与衰老，时时伴随着熵的增加。
对熵增原理的不断研究，有利于我们对生命系统的深入理解，帮助我们了解疾病产生的原理和治疗方法。
本文以熵为主线，探讨熵与生命系统的联系和熵在生命中的体现。
关键词：熵；生命；疾病；衰老Entropy - The "Time Vector" of the Life EvolutionAbstract:Derived from the thermodynamic concept, entropy now exists in many fields.For the life system, entropy principle has very important significance. The growth, development, disease and aging, always come with the increase of entropy.The research of entropy may be helpful for us to further understand the life system, and help us to understand the disease and method of treatment. Based on entropy as the main line, this paper discusses the connection between entropy and life system and introduce the entropy in the reflection of life.Key words: entropy; life; disease; aging1.概述熵的概念最初源自热力学。
熵与生命的关系
熵与生命的关系熵的定义：表示物质系统状态的一个物理量(记为S)，它表示该状态可能出现的程度。
在热力学中，是用以说明热学过程不可逆性的一个比较抽象的物理量。
孤立体系中实际发生的过程必然要使它的熵增加。
定义2：热力系中工质的热力状态参数之一。
在可逆微变化过程中，熵的变化等于系统从热源吸收的热量与热源的热力学温度之比，可用于度量热量转变为功的程度。
熵指的是体系的混乱的程度，它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义，是各领域十分重要的参量。
熵由鲁道夫·克劳修斯提出，并应用在热力学中。
后来在，克劳德·艾尔伍德·香农第一次将熵的概念引入到信息论中来。
按照一些后现代的西方社会学家观点，熵的概念被其移植到社会学中。
表示随着人类社会随着科学技术的发展及文明程度的提高，社会“熵”——即社会生存状态及社会价值观的混乱程度将不断增加。
按其学术观点，现代社会中恐怖主义肆虐，疾病疫病流行，社会革命，经济危机爆发周期缩短，人性物化都是社会“熵”增加的表征。
现在让大家看看我在网络中看到的熵与生命有着何种联系，下面是我看到的一篇论文中的部分内容，自我感觉它写的很好：1 熵理论的宏观意义及其与生命体系的关系生物体最基本的特征之一是物质代谢,伴随着物质代谢所发生的一系列能量转变即能量代谢,是生物体基本特征的另一方面。
生物系统不断地从周围环境中摄取物质,经一系列生化反应合成、转变成自身需要的组分,又将原有的组分通过一系列生化反应变为废料,排出体外,并伴有能量变化。
熵作为一种状态函数,其改变值可正可负,所谓负熵是指生命通过各种能量交换传递使体内或局部熵减小。
1943 年,薛定谔在都柏林三一学院所作的讲演中首次利用热力学和量子力学理论来解释生命的本质,提出了负熵的概念。
他指出: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。
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摩尔热容比（绝热系数）：
Cp i 2
CV i
3. 等温过程 T = 恒量，dE =0
QT W
W V2 m RT dV
M V1
V
m RTln V2
M
V1
m RTln p1
M
p2
例题5-1 今有0.016kg的氧气，初始为标准状态，经历 下列各过程并吸收热量300J，若过程（1）为等温过程， 求终态体积；（2）为等体过程，求终态压强； （3） 为等压过程，求内能的变化.
多原子气体，如水蒸 汽、甲烷等
双原子气体，如氢、氧、氮等 五个自由度
六个自由度
例：1 mol 刚性双原子分子理想气体的内能为多少？
例：如图所示为一定量的理 想气体的p—V图，由图可得 出结论
（A）ABC 是等温过程； （B）TA TB
（C）TA TB
（D） TA TB
5 RT 2
p(atm)
功：
W
p(V2
V1 )
m M
R(T2
T1)
内能：
ΔE
m M
i 2 R(T2
T1)
热量： QP E W
m M
i 2
R
R
(T2
T1)
问题：1mol气体温度每升 高1k所需要的热量是多少？
定义摩尔定压热容： Cp
i 2
1 R
摩尔定压热容与摩尔定体热容的关系：
CP
i 2
RR
CV
R
——迈耶公式
p/atm
2
Q34 W34 E34 1310 J 2
1 14
3
V1 V4
V3 V
例：对于室温下的双原子分子理想气体，在等压膨胀 的情况下，系统对外所作的功与从外界吸收的热量之 比W / Q 等于多少？
）
W /Q 2/7
5.2.3 生命系统的能量交换和代谢
生物体
开放 外界
能量的交换（传热、做功） 物质交换（食物、废料）
假定环境温度恒定在时间t 内， 人体放出的热量
热力学第一定律 Q W E
人体对外所做的功
变化速率
Q W E t t t
通过观察人把食物转 换为能量和废物时利 用氧的速率来测量。
无论是睡眠还是活动，人体都在不停地消耗内能.
如食物在分解代谢过程中需要耗氧．以葡萄糖为例, 完全 氧化180g的葡萄糖需要134.4L的氧, 产生的热量为686kcal. 每升氧产生的热量是:
V1
mRT1 Mp1
2.46 103 m3
p/atm
32 2
V2 2.46103 m3 p2 3atm 1 1 4
T2
p2 p1
T1
900 K
V1 V4
3 V3 V
T3 900K
p3 1atm
V3
p2V2 p3
7.38103 m3
p4 p3 1atm
V4
V3 2
3.69103 m3
Q (E2 E1) W
状态的微小变化过程
dQ dE dW
——热力学第一定律
5.2.2 热力学第一定律的应用 1. 等体过程 气体的摩尔定体热容
系统作功： dW p dV 0
dQV
m M
i RdT 2
dE
mi QV M 2 R(T2 T1) E
定义：
CV
iR 2
摩尔定体热容
2. 等压过程 气体的摩尔定压热容
686 134.4 5.1 kcal
每克葡萄糖产生的热量为
686 180 3.81 kcal
一人以100L/h的速率耗氧, 由内能的变化率可得
100 L h1 4.83 cal L1 483 kcal h1
例：体重为70kg 的20岁的男性，静卧但醒着时耗 能为
1卡 = 4.186 焦耳
O V1
(p2,V2,T2)
dV
V2 V
5.1.3 热量 系统之间由热相互作用而传递的能量。
热功当量：
1卡 = 4.186 焦耳
5.1.4 内能
理想气体内能： 理想气体的内能只与分子热运动的 动能有关，是温度的单值函数。
E m i RT E(T ) M2
理想气体分子的自由度.
单原子气体，如氦、氩等 三个自由度
5.1 热力学的基本概念 5.2 热力学第一定律 5.3 循环过程卡诺循环 5.4 热力学第二定律 5.5 熵 熵增加原理 5.6 熵与生命
第5章 热力学 熵与生命
5.1 热力学的基本概念 5.1.1 准静态过程
从初态到末态的 每一个中间状态都可 以近似地视为平衡态 的过程.
准静态过程是无 限缓慢过程的极限， 它是一个理想过程
准静态过程的过程曲线 可 以 用 p-V 图 来 描 述 , 图 上 的每一点分别表示系统的 一个平衡态.
p
(pA,VA,TA)
(pB,VB,TB)
O
V
5.1.2 功
dW pS d x pdV
W V2 p dV V1
p (p1,V1,T1)
结论：功在数值上等于 过程曲线下面积。对外 做功为正。功与过程有 关，并非状态函数。
E 1.2 70 24 60 60 / 4.186 1733779 cal
表5-2
E大部分直接转换为热量，其余的用来在体内做功。
在生物体内，食物不是直接被利用，而是转换成 像三磷酸腺甙（dài ）（ATP）.这种物质可以被各种 组织利用.在这个转换中，大约55%的内能以热的形式 损失，其余的45%用来在体内器官中做内部的功使骨 骼肌收缩而对外做功。
3
A
2
B
1
C
O 123
例：有两个系统，分别装有可以看作理想气体的质量
相同的H2和He，两个系统内能相同，若装有H2的系统
的温度为300K，那么装有He的系统温为。（1000K）
5.2 热力学第一定律 5.2.1 的数学描述
外界对系统做功和外界对系统传递热量均使系 统的内能增加.能量的传递和转化应该服从能量守 恒定律，即
例：一个65kg的人骑自行车，根据表5-2的数据， 可计算出他所消耗内能的速率为
例题 质量为2.810-3kg, 压强为1atm, 温度为27℃的氮气. 先 在体积不变的情况下使其压强增至3atm, 再经等温膨胀使 压强降至1atm, 然后又在等压过程中将体积压缩一半. 试求 氮气在全部过程中的内能变化、所做的功以及吸收的热量, 并画出pV图.
解: T1 300K p1 1atm
T4
V4 V3
T3
450K
等体过程: W12 0
p/atm
32
2
Q12
ΔE12
m M
5 2
R(T2
T1)
1
14
1248 J
V1 V4
3 V3 V
等温过程: 等压过程:
E23 0
Q23
W23
m M
RT2
ln
V3 V2
823 J
W34 p3(V4 V3) 374 J
m5 ΔE34 M 2 R(T4 T3) 936 J 3