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熵量

王朝百科·作者佚名  2010-04-16  
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熵量的提出

1950年,德国物理学家克劳修斯提出了熵的概念。熵就是温比热量,是热量的变化除以绝对温度所得的商,也就是热力学系统平衡态的状态函数。熵量则是无序程度的量度。

熵量是在宇宙系统中,除了质量、能量外,另一种物理量。在宇宙中,不但质量是守恒的,能量是守恒的,而且,总的熵量也是守恒的。

熵量增加原理

克劳修斯提出熵的概念后,进而发现了热力学第二定律,亦称熵量增加原理:

dS大于等于dQ/dT。

其中dS为初态和终态均为平衡态的某过程的熵变,dQ为在此过程中热量的变化,T为温度,不等号表示不可逆过程,等号表示可逆过程。上式中的 dQ=-cdT,亦即系统中热量的变化。其中c为热容量,符号-表示系统具有负的热容量。事实上,对于某个热力过程,不管初态、终态是否平衡,该式都成立。对于孤立系统,有:

ΔS大于0。

可以看出,以上两式是在无约束的条件下得出的。在这种系统中,各物体是排斥性的,是一种热力扩散性的结构。

熵减原理

2001年,本人发现,在自然约束的引力系统中,粒子的动能小于势能,即E小于等于(1/2)V,其中E为粒子的动能,V为引力势能,V=-GMm/r,G为万有引力常数,M为场源的质量,m为引力场中某粒子的质量,r为粒子到场源中心的距离。上式表明,在约束性的系统中,系统的总能量为负。同时,我们看到,在引力场中,粒子的运动类似于某系统中的热运动。因此,可以用热力学的方法来研究这种运动。现在,用上式代换热力学第二定律、亦即熵量增加原理中的热量dQ,代换后的能量(1/2)V的含义与热量dQ的含义相类似。由此,我们得出,在自然约束系统中,存在熵量减少的现象,并进而发现了熵量减少原理,亦即引力约束系统的热力学定律:

dS小于等于(1/2)V/T小于等于0。

熵量守恒定律

宇宙中的白洞过程,是熵量增加的过程。20世纪上半叶,多位数学家和物理学家提出了大爆炸和热膨胀的模型。在大爆炸和热膨胀的过程中,某宇宙系统的半径从约等于0增大到最大,温度从最大下降到最小。我们将处在这一过程中的宇宙系统划分为充分小的各个小系统,通过积分,有,熵量S大于0。这是一个熵量增加的过程。

对于黑洞过程来说,则是熵量减少的过程。假设某宇宙系统在热力作用下,经过某个膨胀过程以后,停止膨胀,速度为零,温度下降到最小。这时,在引力的作用下,某宇宙系统开始收缩,并最后坍缩成黑洞。在收缩过程中,引力占优势,势能绝对值|V|大于动能K,Q为负值,熵为负。显然,在这一过程中,其半径减小,从最大减到约等于0,,温度从最小逐渐上升,在坍缩成黑洞时,温度达到最大。这是一个热化的过程。现在,也将该宇宙系统划分为充分小的各个小系统,通过积分,有,熵量S小于0。

热力学第二定律指出,对于可逆过程,其积分可沿任一路径进行,在沿可逆过程对温比热量的变化进行积分时,其积分与路径无关,即积分结果为一常量。在某些特殊的情况下,个别白洞、黑洞过程可以构成循环系统。这种特殊情况,就是这样的可逆过程。对于这种可逆过程,从以上可得:

S=0。

从以上可见,白洞具有的是正的能量,黑洞具有的是负的能量。在白洞、黑洞构成循环过程的系统中,总的能量变化为0,也就是说,能量是守恒的。同时,从此式可见,总的熵量变化也为0,也就是说,熵量也是守恒的。

在宇宙中,除了某些白洞—黑洞过程构成循环系统的特殊情况外,在一般情况下,大多数白洞、黑洞过程是错开的,并不构成循环系统。假定在宇宙中有m个天体处于白洞状态,有n个天体处于黑洞状态。在宇宙中,在总体上,白洞、黑洞总是相继发生的。在一般情况下,对于两相邻的白洞、黑洞来说,白洞的正能量和黑洞的负能量并不一定是相等的。但是,根据对称性原理,在总体上,宇宙中的白洞、黑洞是对称的,白洞的正能量和黑洞的负能量总是相互抵消的。在这种情况下,可以令m=n,从而有:

S=0。

从以上可见,在局部区域,两相邻的白洞、黑洞并不一定两两构成循环过程,但在总体上,白洞、黑洞是两两对应的,因此,在整个宇宙系统中,能量是守恒的,熵量也是守恒的。这就是宇宙系统的熵量守恒定律。

从上面可以看出,不但在白洞、黑洞构成循环系统的特殊情况下,熵量是守恒的,而且在宇宙系统中相邻的白洞、黑洞并不两两构成循环过程的一般情况下,宇宙中的熵量也是守恒的。能量守恒定律经过无数实验的检验,证明是正确的。熵量守恒定律是从能量守恒定律推导出来的。因此,同质量守恒定律和能量守恒定律一样,熵量守恒定律也是正确的,熵量守恒定律也是宇宙中的一条基本定律。

英国物理学家霍金指出,宇宙中的物质具有正能量,但物质彼此以引力相吸引,而引力具有负能量。在近似均匀的宇宙空间中,负的引力场正好抵消物质所代表的正能量,因此,宇宙的总能量为零。我们发现,熵量和能量有着密切的关系,从而得出,在非均匀的宇宙空间中,在物质较少的区域,物质所代表的正能量将大于场源所产生的负能量,因此,总的能量为正,这是扩散性热力系统熵量增加的原因。在物质较多的区域,场源产生的引力场的负能量将大于物质所具有的正能量,因此,总的能量为负,这是约束性引力系统中熵量减少的原因。同时,可以进一步预计,从整体看,约束性的引力系统中物质运动的负能量,将抵消扩散性的热力系统中物质运动的正能量,因而,约束性的引力系统熵量的减少,将抵消扩散性热力系统熵量的增加。就整体而言,引力约束系统的熵量减少原理和热力扩散系统的熵量增加原理,是互补的。也就是说,将以上的熵量减少原理与R.克劳修斯的熵量增加原理结合起来,可以得出,宇宙总的熵量为零,宇宙中的熵量是守恒的。这就是熵量守恒定律。按照熵量守恒定律,宇宙是熵增和熵减交替的过程,或者说,是热寂和热化交替的过程。这两个过程的交替运行,将使宇宙永远处于充满活力和生机的状态。

 
 
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