玻耳兹曼关系式及其推论
来源:《太极进化主义》第1篇 | 作者:段勇 | 发布时间: 2021-10-04 | 815 次浏览 | 分享到:

  在维也纳的中央坟场,玻耳兹曼的墓碑上没有墓志铭,只有一个公式:“S=klogW”(更确切地应写作:“S=klnW”)。这个公式已经成为物理学中最重要的公式之一,被公认为熵的第二个定义。在一个十分简单的公式里汇聚了那么丰富的内容,言简意赅,影响深远,在整个物理学中实属罕见,可与之相媲美的似乎只有牛顿的运动定律和爱因斯坦的质能关系式。(冯瑞,冯少彤.溯源探幽 熵的世界[M].科学出版社,2006:53,55.)但现在科学界对于这个公式的理解还不够明确和深入,由这个关系式能推出哪些结论,又隐含着哪些误区呢?

在热力学理论中,平衡的概念并不是指稳定,平衡的含义是与熵直接联系的。例如,在一个孤立系统中,有两个正方体Ⅰ和Ⅱ贴合在一起,且温度不同,这时的状态为a,经过一段时间后,由于Ⅰ和Ⅱ之间发生了热传导,两个物体的温度趋于一致,这时的状态为b。我们认为在这两个状态当中,a为非平衡状态,b为平衡状态,经过计算可知a状态时系统的熵一定小于b状态时系统的熵。因此,平衡的概念应该定义如下。

  对于物质系统的任意两个结构状态ab,如果它们的熵Sa>Sb则称a状态b非平衡状态

熵增代表趋向平衡状态,熵减代表趋向非平衡状态。

玻耳兹曼关系式S=klnW中,S是系统的熵,k是玻耳兹曼常数,W是微观状态数或容配数。所以玻耳兹曼关系式的直接含义是熵增代表容配数增大,容配数大的状态是平衡状态(也可称为结构平衡状态),对称性破缺的状态容配数小,所以熵减代表对称性破缺,对称性破缺就是结构非平衡状态。玻耳兹曼关系式揭示了热力学第二定理的微观机制,能量平衡的根源是结构平衡,能量不平衡的根源是结构的对称性破缺。由于对称性破缺就是复杂化,所以得到以下推论。

玻耳兹曼关系式的推论1结构复杂化是熵减,结构简单化是熵增。

热力学第二定理认为,在孤立系统内,任何变化都不可能导致熵的总值减少。即系统的熵总有增大的倾向。而玻耳兹曼关系式表明熵减代表对称性破缺和复杂化,熵增代表复杂状态的破坏,因此又可推出下面的结论。

耳兹曼关系式的推论2孤立系统的复杂度只能减小,不能增大。

需要说明的是,负熵被很多人当作有序的度量(冯瑞,冯少彤.溯源探幽 熵的世界[M].科学出版社,2006:66.),这种观点是错误的。熵不能表征系统是否有序,熵是复杂性的度量指标信息量也不能表征有序的程度。相同数量的棋子摆在棋盘上,交换其中两个棋子的位置,信息量不会变,但输赢就变了。两个动作的前后顺序改变,信息量也不会变,但结果会不一样。如果我先开门,后迈腿,就能进屋;如果我先迈腿后开门,头上就会撞个大包。所以不应该把波耳兹曼关系式称为有序性原理