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风暴魔域手游野外boss分布图:熱力學熵及其在生態環境中意義

時間:2019-05-27 來源:科技創新與應用 作者:王麗娜,汪靜,周丹,遲 本文字數:4004字

风暴魔域挂机刷魔石,快速培养幻兽升星教程 www.awyiy.icu   摘    要: 文章主要從熱力學與統計力學角度給出熵的兩個定義, 分別是熱力學定義及統計定義, 同時詳細給出了熵的意義, 并從熱力學中最基本的原理:熵增加原理出發, 給出熵在生物學及環境學中的應用。利用熵解釋生態環境惡化問題, 將物理學中傳統理論課與生態環境聯系起來, 在授課過程中達到課程思政的教學目的, 培養大學生正確的價值觀, 并能將理論知識應用到實踐中。

  關鍵詞: 熵; 熵增加原理; 翻轉課堂; 課程思政;

  Abstract: In this paper, based on thermodynamics and statistical mechanics the definition of entropy is given. Meanwhile, the meaning of thermodynamics entropy and statistical mechanics entropy are given in detail. According to the most basic principle of thermodynamics: the principle of entropy increase, the application of entropy in biology and environmental science is given. The entropy can also be used to explain the ecological environment deterioration. The traditional theoretical courses in physics are connected with the ecological environment, during the courses the correct values of college students are trained and the theoretical knowledge can be applied to practice.

  Keyword: entropy; principle of entropy increase; flipped classroom; ideological and political theories;

  目前, 全球環境惡化日趨嚴重, 據世界《紅皮書》記載, 僅僅在二十世紀全球就有110種哺乳動物以及139種鳥類在地球上消失了。北極熊利用海冰作為漂浮的平臺捕捉獵物, 然而北極海冰正在以每十年9%的速度融化, 危及到北極熊的棲息地和生存。海洋冰川的融化和海洋酸化直接影響野生動物, 并減少南極洲生物多樣化。鱗蝦的數量急劇減少, 在一些區域, 冰川和食物的減少導致南極企鵝數量下降。在南美洲, 海龜在巴西海岸產卵。海平面的上升威脅著這些地區。氣候變暖還威脅到海龜的后代, 因為巢溫嚴重影響到性別的確定:最冷的位置產出雄性后代, 而較溫暖的位置產出雌性后代。因此?;せ肪晨灘蝗莼? 正如習近平總書記說的“綠水青山就是金山銀山”, 在傳統物理理論課的教學中, 將熱力學中最基本的概念熵與生態環境聯系起來, 使學生們在學習的過程中將物理理論應用到?;せ肪車氖導實敝? 從而在教學過程中達到課程思政的教學目的, 培養學生正確的價值觀。同時使學生認識到如何從自身做起?;せ肪?。

  1、 熵的定義

  熵是熱力學中最基本的一個狀態參量, 可以用來描述系統的混亂程度, 目前熵理論被廣泛的應用于信息、生物、環境等領域用以解釋該領域的問題, 并將其稱為信息熵、生物熵、環境熵等。熵起源于熱力學與統計力學。最早提出熵的概念的是德國物理學家克勞修斯, 他在研究氣體卡諾循環的過程中發現, 對于一個卡諾循環過程, 熱量與溫度的比值的積分是一個狀態函數, 只與過程的初末態有關, 而與過程無關, 他將這個狀態函數定義為熵 (entrogy) , 通過進一步的研究他發現, 在熱力學過程中, 熵變大于等于該過程熱溫比的?積分, 可以表示為[1]:

熱力學熵及其在生態環境中意義

  其中對于可逆過程取等號, 對于不可逆過程取大于號。隨后奧地利物理學家玻爾茲曼從從統計物理出發, 將熵的定義與統計物理聯系起來給出了熵的統計定義, 對于滿足玻爾茲曼分布的粒子, 即粒子是可以分辨的, 每個狀態上所能容納的粒子數不受限制, 此時熵的表達式可以寫為:

  其中K為玻爾茲曼常量, 數值為1.38×10-23J/K, Ω為玻爾茲曼分布微觀狀態數, 由熵的統計定義式可以看出系統的微觀狀態數越多, 熵值越大。

  2、 熵的意義

  熵的意義主要由兩方面可以闡述, 一是熵的熱力學意義———熵增加原理, 另外一個是熵的統計意義——熵是系統混亂程度的量度。從熱力學角度來看, 考慮一個與外界既沒有能量交換也沒有物質交換的孤立系統, 根據熵的熱力學定義, 孤立系統與外界沒有熱量交換, 所以dQ=0, 此時熱力學過程熵變可以表示為:

  該不等式表明, 對于一個熱力學過程, 可逆過程熵不變, 不可逆過程熵增加, 熵減少的過程是絕對不可能實現的, 這就是熱力學中著名的熵增加原理??死托匏菇卦黽釉磧τ玫秸鲇鈧嬤? 他認為宇宙是一個孤立系統, 按照熵增加原理, 整個宇宙只能不斷的向熵增加的方向進行, 當熵達到最大值時, 整個宇宙處于熱力學平衡態, 此時的表現為宇宙中溫度梯度消失, 壓力變得均勻, 所有的能量轉化都停止, 此時的宇宙處于一種熱寂的狀態, 稱為宇宙“熱寂論”。為了解釋熱寂論的觀點, 物理學家提出了負熵的概念, 奧地利著名物理學家薛定諤在1944年出版了一本書《生命是什么?》, 在書中其詳細闡述了負熵的概念, 并將負熵與生物聯系起來, 指出“生物以負熵為食”[2]。當熵增為負時, 我們稱之為負熵流, 例如對于地球這個開放系統, 可以將太陽輻射的能量看成是地球獲得的負熵流, 使得地球內部系統變得更加有序。對于生物體來說, 生物從外界獲得的能量是有序的, 是負熵流, 而生物行為使得外界系統無序性增加的行為則為熵增行為。

  圖1 N個粒子組成的熱力學系統
圖1 N個粒子組成的熱力學系統

  熵的統計意義在于, 熵是系統無序程度的量度, 考慮N個粒子組成的玻爾茲曼體系, 粒子是可以分辨的, 每個態上能夠容納的粒子數不受限制, 體系可以用熱力學參量壓強P, 溫度T, 體積V來描述, 為了解釋微觀狀態數, 可以將體系分解成V/τ個小格子, 其中τ代表每個格子的體積, 如圖1所示。在此種情況下, 按照玻爾茲曼統計分布規律, 此時系統總的微觀狀態數可以表示為

  由該式可以看出, 系統的粒子數越多, 即N越大, 系統的微觀狀態數越多, 按照熵的統計定義, 熵與微觀狀態數的對數成正比, 因此微觀狀態數越多, 系統越混亂, 系統熵越大, 因此熵是系統混亂程度的量度, 即熵是系統無序程度的量度, 這就是熵的統計意義。當熵增加時, 系統的混亂程度增加。當熵增為負時, 系統的有序度增加, 因此可以通過從外界引入負熵流提高系統的有序性, 下面主要從兩個方面討論熵與環境以及熵與生物的關系。

  2.1、 熵與生態環境

  既然熵的統計意義在于熵是系統混亂程度的量度, 我們就可以通過熵的增加和減少來說明系統無序程度的高低。所有生物體有序度的增加都是以周圍環境中熵增為代價的, 人類消耗有效能量的過程中, 需要不斷的從周圍環境中攝取有序度較高的能量和物質, 并向周圍環境排出有序度較低的能量和物質。下面我們通過討論地球系統的定態熵, 來論證人與地球的關系。

  地球從太陽獲得的負熵流為

  其中p為地球吸納陽光的功率, T分別代表太陽和地球表面的溫度[3]。這些負熵流中有34%被云層反射, 44%被大氣所吸收, 22%消耗于海水的蒸發中, 還有0.17%消耗在驅動大氣和海洋流動的風浪上, 真正被綠色植物用來進行光合作用的僅有0.02%左右, 這些光合作用為地球提供負熵流。

  地球提供給人類的負熵流, 大致為:

  我們再估算一下人類生產生活給地球這個開放系統所帶來的熵增是多少。一個體重為60kg的成年男子熵產生率為0.4W/K, 全球人均熵產生率為成年男子的60%, 全球一共75億人口, 總的熵產生率為1.8*109W/K, 由于自然界生態效率低, 而且光合作用并不能直接或間接被人類食用, 因此目前地球的排熵能力已經接近上限。如果人口繼續膨脹會使地球的熵增大于負熵, 則地球會向著無序方向發展, 則地球失去生機, 人類失去賴以生存的家園。同時人類對能源無遏制的開采濫用也使地球環境不斷惡化, 熵值不斷增加。當熵達到最大的時候, 則整個宇宙處于熱力學平衡態, 此時能量轉化停止, 壓力均勻, 溫度梯度消失, 整個宇宙處于熱寂狀態。現今, 世界上已有593種鳥、400多種獸、209種兩棲爬行動物和20000多種高等植物瀕于滅絕。就像習總書記說到的“綠水青山就是金山銀山”?;せ肪? 從你我做起, 我們不能增大負熵流的引入, 但是可以盡量減少熵增, 以保證地球向著更有序的方向進化。

  2.2、 熵與生物

  生物體的生長, 成熟, 衰亡階段可以用熵增來表示。生物體的生長過程可以看成是一個開放的非平衡系統, 其有序性可以用熵增來表示, 用廣義的熵描述生物體生長過程稱為生物熵[4]。生物的進化過程是一個有序度增加的過程, 因此可以看成是熵減少的過程, 在此過程中, 生物體通過不斷的與外界交換物質、能量、信息使生物體自身有序度增加, 這是一個進化過程, 也是一個熵減少的過程。對于人類來說, 在0-20歲之間, 這個過程是熵增為負的過程, 在此過程中生命體有序度增加。20-35歲左右, 此時生命體從外界吸收的負熵流與自身的熵增大約相等, 總熵變接近于零, 此時生命體表現為有序度平穩狀態, 生命處于旺盛階段。35-50歲左右, 此時人體自身熵增略大于從外界吸取到的負熵值, 生命處于平衡或者緩慢衰老狀態。50歲以后, 生物負熵值小于自身熵增, 熵變大于零, 此時生物步入快速衰老和病變狀態。在生物體生命系統中, 維持健康的必要條件是負熵流的獲取, 如果生物總體熵變為正時, 則生物自身會出現衰老、病變。如果總的熵變為負, 則生物體呈現生機勃勃的狀態。

  3、 結束語

  熵在熱力學于統計物理學中有著舉足輕重的地位, 可以用熵描述某一個過程是否可以, 例如對于孤立系統絕熱過程, 可逆過程熵不變, 不可逆過程熵增加, 因此我們可以根據熵變大小判斷未知的過程是否可逆。而對于開放系統, 我們亦可以利用熵變判斷系統的有序程度, 熵變為負, 則有序度增加, 熵變為正, 則有序度減少。熵增加原理在生態環境、信息工程、生物學等方面都有著廣泛的應用。再利用熵增加原理講解熵與環境的關系時, 可以把課程思政的內容代入到課堂當中, 在授課過程中, 使學生明白, 為了地球這個開放系統能夠向著更有序的方向發展, 每個人要盡力減小自己的熵增, 只要自身的行為使得地球這個生態系統向著有序方向發展都是在減少自身的熵增。小到撿起地面的一片廢紙, ?;さ厙蟶嫌邢薜淖試炊際竊詡跎僮隕淼攆卦?。鼓勵學生在日常生活中?;せ肪? 愛護地球。

  參考文獻

  [1] 汪志誠.熱力學統計物理[M].北京:高等教育出版社, 2013.
  [2] 薛定諤.生命是什么?[M].湖南科學技術出版社, 2005.
  [3]賀會玲.熵與生態環境[J].生物學通報, 2005, 40 (7) :19-21.
  [4]馬遠新.生命過程與生物熵[J].數理醫藥學雜志, 2009, 22 (1) :3-5.

    論文來源參考:王麗娜,汪靜,周丹,遲建衛.熵增加原理在生態環境中的應用[J].科技創新與應用,2019(13):180-181+184.
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