《大学物理学》熵是一种世界观

d入 S dt

p' T⊙
d出 S 地球向太空辐射带走的熵流为： dt
成都理工大学信息工程学院 陈世红
熵是一种世界观

p' T
地球向太空黑体辐射的等效温度： T 253 K -20℃ 地球获得的净熵流为：
1 d出S 1 Σ p' dt dt T T ⊙ d 入S
薛定谔在发表的专著《生命是什么?》中指出：
一个生命有机体在不断地增加它的熵——你 或者可以说在增加正熵——并趋于接近最大熵值 的危险状态，那就是死亡，要摆脱死亡，就是说 要活着，唯一的办法是从环境中不断吸取负熵， ‘有机体是依赖负熵为生的 ’，这就是生命的热 力学基础。
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低熵低能食物----净水
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熵是一种世界观
3） 无生命世界的自组织现象 云、雪花、太阳系、化学实验、热对流、激光 等.
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熵是一种世界观
熵与人口
联合国人口基金1998年9月2日发表一份报告：
目前全世界人口正以每年8000万的速度持续 增长，1999年全世界人口将突破60亿，到2050年 将达到94亿。
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熵是一种世界观
熵增加原理不只是解释了热力学第二定律， 而是揭示了自然演化的不可逆性，使物理学研究 进入到演化物理学领域。熵概念的提出使人们在 认识观念上有了重要变化，熵是一种世界观。目 前熵的概念已被广泛拓展到信息论、宇宙论、天 体物理及生命科学等领域中。
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熵是一种世界观
开放系统能够从较无序的高熵状态趋向较 有序的低熵状态。
地球生态环境的负熵的供应者是太阳！
地球接收阳光的总辐射功率： P 1.79 1017 W 地球真正接收阳光的总辐射功率为：
17 P 0.66 P 1.18 10 W 太阳辐射温度： T⊙ 6000 K
太阳带给地球的熵流为：
Σ 4.47 10 W K
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光合作用提供的负熵流为：
Σ
光合
0.02%Σ 8.94 1010 W K
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熵是一种世界观
设每人每天需摄入1公斤葡萄糖以维持生命，它含的 负熵为： 3
3.254 10 J K
2
每人每秒的需要为：
3.77 10 W K
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熵是一种世界观
•生命过程---耗散过程 高熵---混乱 热平衡----死亡 要活着---身体保持低熵状态
•薛定谔：生命是什么? ‚生命之所以能存在，就在于从环境 中不断得到 ‘负熵’‛ ‚有机体是依赖负熵为生的 ‛ ----生命的热力学基础
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开放系统熵的变化
dSi
dSe
如果
系统内部不可逆过程所产生的熵增加 系统外向系统内传递的熵,可正可负可零.
de S< 0
称负熵流
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熵是一种世界观
1）宇宙真的正在走向死亡吗？ 实际宇宙万物的发展充满了无序到有序的变化 .
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熵是一种世界观
2） 生命过程的自组织现象 生物体的生长和物种进化是从无序到有序的发 展过程. 生长阶段
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熵是一种世界观
耗散结构简介
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熵是一种世界观
耗散结构-----自组织形成的有序结构. 实现自组织现象的系统必须是开放系统.
和外界有能量交换和物质交换的系统叫开放系统。
孤立系统
dSi 0 , dS 0
dS dS e dS i
de S > di S
dS < 0
有序度增加，从一种有序 到更高级的有序。
成熟阶段
衰亡阶段
de S di S
de S < di S
dS 0
维持一种有序。 有序度下降，生物系统在 短期内或局部熵积累过多， 病态。
dS > 0
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熵是一种世界观
从物理学的角度看 治疗的目的在于消除积熵 薛定谔说：生命赖负熵以存在 玻耳兹曼说：生物为了生存而作的一般斗争, 既不是为了物质,也不是为了能量, 而是为了熵而斗争. 生物从外界吸收负熵 是以更大范围的熵增为代价的
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熵是一种世界观
熵增加原理：孤立系统中的熵永不减少.
S 0
平衡态 A
孤立系统不可逆过程
孤立系统可逆过程
S 0 S 0
可逆过程
平衡态 B （熵不变）
不可逆过程 非平衡态 平衡态（熵增加） 自发过程 热力学第二定律亦可表述为 ： 一切自发过程 总是向着熵增加的方向进行 .
熵是一种世界观
(碳水化合物 净水)
开放系统
(CO2 污水 排泄物等)
物质
(化学能)能量
有 机 体
物质 能量(功 热) 正熵
负熵
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熵是一种世界观
讨论： 有机物 必须是开放系统 和周围环境有物质和能量交换 维持低熵状态 摄入低熵物质 排出高熵物质 动物 要吃低熵食物 低熵高能食物----如碳水化合物
熵是一种世界观
“热寂说”
宇宙在熵增，能量在质变，宇宙最 终达到均一的热平衡，到处是同一温度， 任何能量失去了做功的能力，机器无法 开动，世界成了一片热寂的“热死”状 态。
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熵是一种世界观
英国诗人史文朋这样描述：
不论星星还是太阳将不再升起， 到处是一片黑暗； 没有溪流的潺潺声， 没有声音，没有景色， 既没有冬天的落叶， 也没有春天的嫩芽； 没有白天，也没有劳动的欢乐， 在那永恒的黑夜里， 只有没有尽头的梦境。
以当今世界人口以50亿计，球人类食物需求的总 负熵流为：
Σ 食物 1.13 108 W K
人口和熵不能无限地增长！