化學(xué):請解釋下“焓”、“熵”的具體涵義?

【專家解說】：熵定律是科學(xué)定律之最，這是愛因斯坦的觀點。我們知道能源與材料、信息一樣，是物質(zhì)世界的三個基本要素之一,而在物理定律中，能量守恒定律是最重要的定律，它表明了各種形式的能量在相互轉(zhuǎn)換時，總是不生不滅保持平衡的。在等勢面上,熵增原理反映了非熱能與熱能之間的轉(zhuǎn)換具有方向性，即非熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苄士梢?00%,而熱能轉(zhuǎn)變成非熱能時效率則小于100%(轉(zhuǎn)換效率與溫差成正比),這種規(guī)律制約著自然界能源的演變方向,對人類生產(chǎn)、生活影響巨大;在重力場中,熱流方向由體系的勢焓(勢能+焓)差決定,即熱量自動地從高勢焓區(qū)傳導(dǎo)至低勢焓區(qū),當(dāng)出現(xiàn)高勢焓區(qū)低溫和低勢焓區(qū)高溫時，熱量自動地從低溫區(qū)傳導(dǎo)至高溫區(qū),且不需付出其它代價,即絕對熵減過程。顯然熵所描述的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律比能量守恒定律更重要，通俗地講:熵定律是"老板"，決定著企業(yè)的發(fā)展方向，而能量守恒定律是"出納",負(fù)責(zé)收支平衡，所以說熵定律是自然界的最高定律。 【熵與宇宙模型】 目前流行的大爆炸理論仍然是崇尚熱寂的，只不過換個說法而已，該理論認(rèn)為:對于一個靜態(tài)的體系(或宇宙中的局部空間)熵仍趨于最大值，但膨脹的(看著氣體膨脹)宇宙會拉大溫差，宇宙根本不能達(dá)到平衡態(tài),所以宇宙不會出現(xiàn)熱寂。舉個通俗的例子,一池塘清水，有污水不斷向池里流入，水質(zhì)面臨惡化，如果外界又不斷地向池中加入清水，且加入清水的量遠(yuǎn)多于污水，毫無疑問這池水永遠(yuǎn)是清水(設(shè)池塘容積可增加)。熵增原理是在忽略引力作用時得到的規(guī)律，而在研究宇宙熵變時引力就不能忽視，所以筆者認(rèn)為大爆炸理論對熵的解釋是錯誤的,不論宇宙是膨脹、收縮或靜態(tài),宇宙都不會進(jìn)入熱寂,因為星體引力具有減熵的能力,而高溫星體向太空輻射光和熱,這是熵增過程,這兩種相反的熱流將永恒的對峙著，實現(xiàn)熵和熱的大環(huán)流,所以說,即使是有限的宇空也永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)熱寂。仍用上述例子，一池塘清水，有污水不斷向池里流入，但池塘有自凈功能,有能力處理流入的污中，所以水質(zhì)不會惡化。 【分熵的特點】 熵概念源于卡諾熱機(jī)循環(huán)效率的研究，是以熱溫商的形式而問世的,當(dāng)計算某體系發(fā)生狀態(tài)變化所引起的熵變總離不開兩點,一是可逆過程;二是熱量的得失,故總熵概念擺脫不了熱溫商這個原始外衣。當(dāng)用狀態(tài)數(shù)來認(rèn)識熵的本質(zhì)時,我們通過研究發(fā)現(xiàn),理想氣體體系的總微觀狀態(tài)數(shù)受宏觀的體積、溫度參數(shù)的控制，進(jìn)而得到體系的總熵等于體積熵與溫度熵之和(見有關(guān)文章)，用分熵概念考察體系的熵變化，不必設(shè)計什么可逆路徑,概念直觀、計算方便(已被部分專家認(rèn)可),因而有利于教和學(xué)。 【熵計算公式介紹】 1、克勞修斯首次從宏觀角度提出熵概念,其計算公式為:S=Q/T ,(計算熵差時，式中應(yīng)為△Q) 2、波爾茲曼又從微觀角度提出熵概念，公式為:S=klnΩ,Ω是微觀狀態(tài)數(shù),通常又把S當(dāng)著描述混亂成度的量。 3、筆者針對Ω不易理解、使用不便的現(xiàn)狀,研究認(rèn)為Ω與理想氣體體系的宏觀參量成正比，即:Ω(T)=(T/εT)3/2 , Ω(V)=V/εV，得到理想氣體的體積熵為SV=klnΩv=klnV,溫度熵為ST=klnΩT=(3/2)klnT ，計算任意過程的熵差公式為△S=(3/2)kln(T'/T)+kln(V'/V),這微觀與宏觀關(guān)系式及分熵公式，具有易于理解、使用方便的特點,有利于教和學(xué),可稱為第三代熵公式。 上述三代熵公式，使用的物理量從形式上看具有"直觀→抽象→直觀"的特點，我們認(rèn)為這不是概念游戲，是對熵概念認(rèn)識的一次飛躍。 【熵流是什么】 熵流是普里戈津在研究熱力學(xué)開放系統(tǒng)時首次提出的概念(普里戈津是比利時科學(xué)家,因?qū)崃W(xué)理論有所發(fā)展,獲得1977年諾貝爾化學(xué)獎)，普氏的熵流概念是指系統(tǒng)與外界交換的物質(zhì)流及能量流。我們認(rèn)為這個定義不太精辟，這應(yīng)從熵的本質(zhì)來認(rèn)識它,不錯物質(zhì)流一定是熵的載體，而能量流則不一定，能量可分熱能和非熱能〔如電能、機(jī)械能、光能(不是熱輻射)〕，當(dāng)某絕熱系統(tǒng)與外界交換非熱能(發(fā)生可逆變化)時,如通電導(dǎo)線(超導(dǎo)材料)經(jīng)過絕熱系統(tǒng)內(nèi)，對體系內(nèi)熵沒有影響,準(zhǔn)確地說能量流中只有熱能流(含熱輻射)能引人熵流(對非絕熱系統(tǒng))。對于實際情形,非熱能作用于系統(tǒng)發(fā)生的多是不可逆過程,會有熱效應(yīng)產(chǎn)生，這時系統(tǒng)出現(xiàn)熵增加，這只能叫(有原因的)熵產(chǎn)生，而不能叫熵流的流入，因能量流不等于熵流，所以不論什么形式的非熱能流都不能叫熵流，更不能籠統(tǒng)地把能量流稱為熵流。 【熵減應(yīng)分為絕對熵減和相對熵減兩類】 人們過去認(rèn)識的熵減,其機(jī)理是流出系統(tǒng)的熵流大于系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)生(對開放系統(tǒng))，習(xí)慣上稱流入系統(tǒng)的負(fù)熵流大于系統(tǒng)內(nèi)熵產(chǎn)生，從系統(tǒng)內(nèi)外一并考察總熵變化仍大于零，服從熵增原理，換句話說,此處熵減是以彼處熵增為代價的，故這類熵減應(yīng)叫相對熵減。而引力在引力方向能拉開溫差,把低溫區(qū)的熱量自動地轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)，經(jīng)計算表明這是熵減!這并不伴隨引力的削弱(引力是物質(zhì)的固有的性質(zhì))，也不以任何地方或形式的熵增為代價，所以說這種熵減是絕對熵減，是不服從熵增原理的。 【電冰箱不能實現(xiàn)熵的減少】 克勞修斯把熵增原理表述為:"熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體"，這給人們一個錯覺,外界做功使熱量從低溫物體傳到高溫物體，或者說使等溫體變成不等溫體，就意味著發(fā)生熵減。這種認(rèn)識是偏面的，以絕熱房間內(nèi)放一工作的電冰箱為例,冰箱內(nèi)溫度變低,冰箱外的房間內(nèi)溫度變高,許多人把這外界做功而拉開溫差的現(xiàn)象叫做熵減,并解釋將發(fā)電廠一并考慮在內(nèi),總體上仍是熵增。這種看法是錯誤的，僅就室內(nèi)的冰箱內(nèi)外來說,如果考慮了電流的熱效應(yīng),這個室內(nèi)的總熵變化只增不減(不信可計算一下)。外界做功不能使絕熱系統(tǒng)內(nèi)的熵減少，不論是電能、機(jī)械能等非熱能做功(通常不能避免熱效應(yīng))都不能使絕熱系統(tǒng)內(nèi)的熵減少，所以說，我們認(rèn)為熵增原理準(zhǔn)確的表述應(yīng)為:"在等勢面上，絕熱系統(tǒng)內(nèi)的熵永不減少"。 【熵減和永動機(jī)的關(guān)系】 許多人都認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了熵減就等于說能制造出第二類永動機(jī),這種看法是一種誤解,解釋如下:在宇宙中只有星體引力能導(dǎo)致熵減，當(dāng)星體外部勢焓大于內(nèi)部勢焓時, 星體具有向引力中心云集熱量的功能，實現(xiàn)了熱量自動地從低溫區(qū)轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)，對于溫度比較高的星體，又以輻射的形式向外釋放能量，故星體具有永動機(jī)的性質(zhì),但星體不能人工制造,更無法利用這一原理造出一臺機(jī)器，從單一熱源(大氣或水中)吸熱獲得機(jī)械能,所以說存在熵減并不能制造出永動機(jī)。假設(shè)人工能造出第二類永動機(jī),那一定是熵減過程,熵減和永動機(jī)就是這種特殊的關(guān)系。 【地?zé)崽攸c及來源】 地下熱能儲量巨大，相當(dāng)于全球煤炭儲量的1.7億倍。有人估算，以當(dāng)今全世界耗能總量計算，即使全部使用地?zé)崮?4100萬年后才能使地球內(nèi)部的溫度下降 1℃。地?zé)岬奶攸c呈內(nèi)高外低分布,我們認(rèn)為(另有論文)它遵循"可壓縮流體的靜力學(xué)方程",即勢焓(勢能+焓)平衡規(guī)律，當(dāng)?shù)貎?nèi)勢焓低于地表勢焓時,重力具有云集地表低溫?zé)崮芟虻匦霓D(zhuǎn)移的機(jī)制,地?zé)崾怯篮愦嬖诘哪茉?。關(guān)于地?zé)醽碓磫栴}，目前人們尚無準(zhǔn)確定論,主要有兩種解釋: 1.地球內(nèi)部的放射性元素蛻變放熱,即原子能; 2.地球在形成初期帶來的熱量。我們對上述解釋的看法是,如果是第一種，有三種情況: ①地?zé)釡囟瘸释獾蛢?nèi)高按一定梯度的分布，那熱源必在地心，這不就是原子彈嗎?后果不堪設(shè)想; ②礦物分布通常遵循"物以類聚"的原則，如果地球內(nèi)部的放射性元素分布(熱源)與地?zé)岱植家恢?顯然這不合情理; ③地下溫泉或巖漿(石頭)應(yīng)該裹挾著很強(qiáng)的放射性物質(zhì)，實際上沒有，所以說地?zé)岬闹饕獊碓床豢赡苁欠派湫栽赝懽?。如果是第二種，一是體積收縮擠壓產(chǎn)生;二是本來是高溫體，冷卻至今形成熱量梯度分布,這種可能性是有的。我們認(rèn)為也有第三種可能，即地球形成時溫度是均勻的而又不是十分高溫的物質(zhì)，從45億年前至今，重力將地表低溫區(qū)熱能向地心轉(zhuǎn)移，使熱量形成梯度分布(中心約5000℃)，逐步實現(xiàn)勢焓平衡。 【人類應(yīng)如何面對能源貶值的問題】 第二次工業(yè)革命以來,人類在瘋狂地開采使用礦物能源(尤其是發(fā)達(dá)國家)，使礦物能源日趨減少,總有一天要枯竭待盡，怎么辦呢?人們通常認(rèn)為有如下對策:從小的方面講,我們要節(jié)約能源,減少不必要的能源浪費，盡量使用可再生能源;從大的方面看,要研究使用長久不衰的能源，如太陽能(還有幾十億年的壽命),原子能尤其是核聚變能(以海水為原料,足夠人類使用幾十億年)，采取上述綜合措施,人類就能被動地逾越能源貶值的災(zāi)難，而人為主動改變能源貶值的趨勢是做不到的。只有引力具有回天之術(shù),實現(xiàn)能源的進(jìn)化,故地?zé)崾侨≈槐M、用之不竭的，是絕對意義上的可再生能源。重力云集地表熱能的能力與地下物質(zhì)的分子量成正比,如山區(qū)是地?zé)岬母患瘏^(qū)，人類應(yīng)重視開發(fā)利用。 【熱寂論的敵論--"熱環(huán)論"】 恩格斯曾多次指出:"放射到太空中去的熱一定有可能通過某種途徑轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運動形式,在這種運動形式中,它能夠重新集結(jié)和活動起來"。我們通過長期對熵理論的研究,提出了"熱環(huán)論"(又可稱"熱動論")，完成了恩格斯的遺愿。 可壓縮流體的靜力學(xué)方程,即勢焓(勢能+焓)平衡規(guī)律(另文)指出,在引力場中,相同質(zhì)量的流質(zhì)其擁有的勢焓值均為同一常數(shù)，這就意味著當(dāng)流質(zhì)勢能大時其焓值小(溫度低),相反，當(dāng)勢能小時其焓值大(溫度高)，如果星體中心的勢焓值比外圍低時,引力將迫使外圍低溫區(qū)熱量向中心高溫區(qū)傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移,以趨于勢焓平衡。又根據(jù)熱輻射定律可知,熱輻射僅由溫度決定，不受引力影響(另文證明)。上述兩類因素是熱循環(huán)的動力，即熱量在引力的幫助下從低溫3k傳導(dǎo)至高溫億萬 k(太空中或星體內(nèi)部都存在著溫度梯度這個客觀事實),再以輻射的方式逸散到太空中去,就這樣循環(huán)往復(fù)以至無窮，這就"熱環(huán)論"描述的現(xiàn)象。以白矮星為例,白矮星內(nèi)部無熱源為何能發(fā)光呢?，原來星體引力能從太空云集低溫?zé)崮?。任何星體與太空間都存在著相反的熱循環(huán)轉(zhuǎn)移過程,即使是具有內(nèi)部熱源的星體也疊加著上述熱循環(huán)過程，這是宇宙生機(jī)勃勃、永不死寂的真諦!