自然界和生物界自发变化中的熵和序

自然界和生物界自发变化中的熵和序

摘要: 本文从Clausius不等式出发，指出自然界和生物界中的所有自发变化都应符合热力学第二定律。万有引力定律也应符合热力学第二定律。

关键词: Clausius不等式 万有引力定律 自发变化 熵 序

Entropy and order of spontaneous changes in natural and biological worlds

JIN Chengshu

(Department of Pharmaceutical and Chemical Engineering, Suihua University,Suihua, Heilongjiang Province, 152061, China; [email protected])

Abstract：According to Clausius inequality, this paper point out that all spontaneous changes conforms to the second law of thermodynamics in natural and biological worlds. The law of universal gravitation also conforms to the second law of thermodynamics.

Key words：Clausius inequality; universal gravitation; spontaneous change; entropy; order

熵变 的数学表达式[1]为

或

其中 或 ， 和 分别表示终态和始态的熵，故吸热会使熵变为正值或增加，而放热会使熵变为负值或减小。自发变化应符合克劳修斯(R. Clausius)不等式（即热力学第二定律的数学表达式），Clausius不等式的数学表达式[1]为

或

应注意，可逆过程和不可逆过程的熵与始终态有关，而与实际热温商无关。

根据Clausius不等式，绝热的隔离体系的实际热温商为零，因此可得 （等号表示可逆过程，不等号表示不可逆过程）[1]，这就是熵增加原理，即绝热的隔离体系的熵永不减少。自发变化是指在自然条件下能自动进行的变化。在自然

条件下体系的熵增加得越多，体系的自发变化越应该容易进行。绝热的隔离体系的熵（S）包括隔离体系中所有物质体系的熵（S物质）和与这些物质体系存在相互作用或联系的环境的熵（S环境）。但有人常把所有物质体系的熵（S物质）误认为绝热的隔离体系的熵（S）；或忽略环境熵（S环境）的作用；或错误地认为任何物质体系的自发变化一定为增熵减序的方向，这显然是不符合事实的片面观点，应把上述不正确的理解纠正过来。注意，本文所指的序和混乱度是同一概念。根据热力学第三定律可知，物质温度升高时熵将会增加，反之熵会减小。

由星云[2]自发形成星体时，是增序的放热过程，星体物质的温度特别是星体中内部物质的温度将高于宇宙环境温度而会使熵增加，环境熵因吸热也会增加。上述自发变化中总熵永不减少即宇宙受热力学第二定律制约。可见物质有相互聚集、相互吸引的属性。宇宙中存在非常少量星际物质而使宇宙处于低真空状态的事实证明，万有引力自发存在是热力学第二定律的必然要求和结果，万有引力应来源于热力学第二定律。因此宇宙不会也不可能发生“热寂论”[1]所指出的错误结果。

假如星体吸热分解时需要吸收大量的热量，星体分解后物质和环境的温度都将会下降，此时环境熵因热量被吸走而使熵减小，物质的熵也会减小，这将不符合热力学第二定律的，故星体间的斥力是不可能自发存在。根据热力学第一定律，热可以转化为其它形式的能量，如光和功。不要把做功和斥力混为一谈。

在低温（熔沸点之下）时，物质由气体冷凝为液体、由液体冷凝为固体是自发变化的方向，这是增序的放热过程，因物质发生相变的温度不会低于实际环境的温度， Clausius不等式成立。在高温（熔沸点之上）时，物质由固体熔化为液体、由液体气化成气体是自发变化的方向，是减序的吸热过程，实际环境的温度不会低于物质发生相变的温度，故符合热力学第二定律。上述两个体系与外界仅有热量交换。物质由气体冷凝为液体、由液体冷凝为固体时熵将减小，而物质由固体熔化为液体、由液体气化成气体时熵将增加。

化学反应可看作是一个物质间存在相互作用并与外界仅有热量交换的体系，自发变化也需要在一定温度条件下发生，应符合热力学第二定律，否则无法发生。

生物界是在太阳系地球上自然条件下自发形成的，它处于与外界有物质和热量交换的体系，生物界占统治地位的演化则是从无序向有序、从低级向高级的进化，似乎不受热力学第二定律制约，这显然是不合理的结论。生物界的光合作用、脂肪和蛋白质的合成是吸热的，而生物界的糖类化合物、脂肪和蛋白质的代谢是放热的，都应符合热力学第二定律，否则无法发生。生物体自身的合成也应符合热力学第二定律。从上述分析不难看出，把生物界的发展方向与热力学第二定律所指明的发展方向对立起来是一种误解。生物界的演化和进化应更有利于生物体增熵和适应自然。

总之，自然界和生物界中的自发变化和具体物质的熵和序没有必然的联系，但应该符合热力学第二定律。应注意，在所有的情况下都把熵变和序（即混乱度）混为一谈是不正确的，应从熵的定义出发确定熵的正负值、计算熵的大小。对于

与外界有热量甚至物质交换的体系，可不用熵增加原理判断是否发生了自发变化，而应用Clausius不等式来判断即可。

参考文献

[1]傅献彩,陈瑞华.物理化学(上册)[M].第3版. 北京:高等教育出版社,1979.p160-181,p388-393.

[2]《少年儿童百科全书》编委会编. 少年儿童百科全书（自然卷）[M]. 北京: 北京出版社出版集团北京少年儿童出版社,2007.p14-15.