热力学统计物理 课程论文 熵在生活中的应用

1熵在生活中的应用摘要：热力学第二定律作为判定与热现象有关的物理过程进行方向的定律，是物理热学中的一个重要部分。本文分析了热力学第二定律所定义的熵的含义，并阐述了它在当今社会的一些应用，分析了熵与生活的一些联系。关键词：热力学第二定律；熵；联系；负熵;生命引言：热力学第二定律决定了能量转移的方向问题，对信息技术，生命科学以及人文科学的发展都起到了非常重要的作用，应用极其广泛。熵增加原理对新世纪的科学技术乃至整个社会的发展都产生重要影响。１热力学第二定律、熵热力学第二定律指出了不可逆过程的单向性，从热力学第二定律的这些表述发，能够找到一个表征不可逆过程单向性物理量，利用它能够把热力学第二定律用为普遍的形式表示出来。克劳修斯定义一个态函数，认为自发过程的不可逆性决定于过程进行的过程或路径，而是决定系统的初始状态和最终状态，称之为“熵“。用Ｓ表示从一个状态Ａ到一个状态Ｂ。Ｓ的变化定义为：ABSS=ABTdQ/(1)对无限小过程ds=dq/T。这样热力学第二律表示为：ds≥dq/T在孤立系统中，任何变化不可能导致熵的问题减小，即ds≥0。如果变化过程是可逆的则ds=0，总之熵是有增无减。2、热力学第二定律与生活的一些联系２.1通过熵增原理，理解能源危机按热力学第二定律的数学表达式，对于与外界既无能量交换又无物质交换的孤立系统，必有ds＞0，这就是熵增原理。在孤立系统或绝热系统中进行的一切不可逆过程向熵增加的方向演化，直到熵函数达到最大为止。在孤立或绝热条件下，系统自发地由非平衡态趋向平衡态的过程，正是一种熵增的过程。平衡态对应最大熵，一定的外部条件确立系统的平衡态，最大熵也是指在一定外部条件下的最大。当人们燃烧煤、石油原子核，能量的问题并无变化，从热力学第一定律来看这一切，能量不会消失，也就不可能有能源危机。但是如果从热力学第二定律来看这一切，就会使人们担心。燃烧资源，其结果是世界的熵无情地增加，它所贮存的能量的“质”随之衰退，并向空间弥散，于是我们把自己带进了能源危机之中。我们要做的不是保住能的数量，而是要珍惜它的“质”，应该合理使用能量，降低熵的产生，提高能量的利用效率，并不断开发新能源。2.2熵与生命过程2从物质能量流动的角度讲，生命过程是一个物质能量的传输和集中过程，物质能量的集中就是生物的生长。当生物不再生长时，生物的生存过程就是纯粹的物质能量传输过程。从热力学的角度讲，生命过程可以认为是一个符合热力学第二定律的区域性的自发的熵减过程，在包括生命体及其生存环境的总系统中，熵是增加的。熵减过程就是生物的生长过程。当熵减过程结束后，维持已有的负熵值的过程就是生物的生存过程。为了生产负熵，更为了维持已有的负熵值，系统必须始终存在一个熵增的物质能量传输过程。新陈代谢过程中，除了包含有一个熵减的物质能量集中过程外，还包含了一个使生物生长不违反第二定律的熵增的物质能量的传输过程。显然，只有当生命系统是一个与外界有物质和能量交换的开放系统时，符合第二定律的熵减过程才有可能发生。2.3熵理论在病理学中的应用对于细胞的正常生存与病变过程也可以引入熵理论。随着各门学科的飞速发展与相互渗透,对于核酸三维结构的认识及遗传信息的研究,使人们得以从基因表达调控理论的角度去认识和治疗疾病。在医学中,负熵对于癌症的研究也有意义。肿瘤细胞在某种情况下,表现出基因过度扩增、蛋白堆积、细胞无限增殖的无序状态。2.4熵理论在抗癌机制中的应用Kohler和Milstein证明,利用体细胞杂交法可获得分泌抗体的杂交细胞系。由于应用这一技术所获得的抗体来源于单一的抗体生成细胞所形成的杂种细胞克隆,所以称之为单克隆抗体。为了使操作过程比较准确,应该采用分子切割技术从组织中得到所需细胞。当导入的抗体素抑制癌细胞的恶变,削弱它的增殖时,细胞本身的混乱程度将会减小,趋向于稳定的低熵状态。这就相当于给体系内部输送了负熵,使体系趋于有序状态。2.5熵在通讯的应用人类在长期的电讯通信实践中，不断在力图提高通信的有效性和可靠性。提高有效性就是尽可能用最窄的频带，尽可能快和尽可能降低能耗，即提高通信的经济性；高可靠性，就是要力图消除或减少噪音，以提高通信的质量。随着电子通信发展到一定阶段后，人们在实践中发现，在一定的条件下，要同时实现上述这两个要求，会遇到不可克服的困难：要减少噪音的干扰，信息传输速率就得降低；反之，提高了传输速率就不能有效地避免噪扰，在一定的具体的客观条件下，想要同时提高电讯通信的效率和可靠性的企图总是失败的。于是有人想到在限定的条件下同时提高通信的效率和可靠性的要求可能存在一种理论上的界限。1948年，美国贝尔电讯实验所的工程师申农提出了了一个数学模型，对于信息的产生和传输这些概念从量的方面给以定义，提出了信道和信息量等概念，利用熵的形成导入了信道容量这一新的重要概念，并且确定了信号频带宽度、超扰值和信道传输率三者之间的一般关系。从而，我们可以用信息熵来描述信道上传输信息的容量。这就是热力学第二定律在信息传输技术中的一些应用。。3、结语3本文通过探讨热力学第二定律及熵的内涵，阐述了熵在理解能源危机和理解生命过程中的作用，分析了熵在病理学、抗癌和通讯中的一些应用，参考文献：[1]康立志.浅析热力学第二定律的应用[J].科技资讯,2008（13）：150[2]张岱.生物熵在医学研究中的应用.《数理医药学杂志》，2008，(1)[3]倪光炯等.《改变世界的物理学》[M].上海:复旦大学出版社,1999[4]朱曙华.初探负熵与生命现象。牡丹江大学学报。2007，(10)[5]丁有瑚.负熵，《现代物理知识》.1999,(5)