對萬有引力和熱力學第二定律中平衡狀態(tài)的研究
金成樹
摘要: 本文指出自然界和生物界中的所有自發(fā)變化都應符合熱力學第二定律。萬有引力定律也應符合熱力學第二定律。平衡狀態(tài)不總是指向簡單混亂無序的狀態(tài)。增熵是生物界和人類社會有序之源。遠離平衡的狀態(tài)不會穩(wěn)定存在。
關鍵詞: 萬有引力定律；熱力學第二定律；平衡狀態(tài)；熵；序
中圖分類號：O414.1 文獻標識碼：Ａ
作者簡介：金成樹（1964-），男（朝鮮族），黑龍江綏化學院副教授，主要從事物理化學和配位化學研究。
自發(fā)變化（包括實際上所有能發(fā)生的任何變化）應符合克勞修斯(R. Clausius)不等式（即熱力學第二定律的數(shù)學表達式）。下面討論對萬有引力和熱力學第二定律中平衡狀態(tài)的研究。
1 平衡狀態(tài)不能只有混亂無序的狀態(tài)
受克勞修斯“熱寂論”和玻茲曼(L. Boltzmann)的統(tǒng)計熵理論等的影響，包括著名學者在內(nèi)的其他人也認可把所有變化過程的最終平衡狀態(tài)都描述為簡單混亂無序的狀態(tài)。其實有大量的變化過程的平衡狀態(tài)是趨向于有序復雜的狀態(tài)，如糖類化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的合成，又如星體形成、氣體冷凝為液體、液體冷凝為固體等等�？梢姡�片面夸大平衡狀態(tài)的簡單無序性，否認有序復雜性的平衡狀態(tài)的存在是不正確的。天體的平衡狀態(tài)可能處于無序狀態(tài)和有序狀態(tài)平衡并存與振蕩中。
熵變與平衡狀態(tài)沒有直接聯(lián)系，而只與可逆過程的始終態(tài)直接相聯(lián)系，可逆過程的始終態(tài)可以是非平衡或遠離平衡的狀態(tài)。熵變應設計成可逆過程來計算，可逆過程的熱溫商加和才是熵變，不可逆過程的熱溫商加和不是熵變，故放熱對應于減熵或負熵，吸熱對應于增熵或正熵。可逆過程與可逆化學反應不能混淆。天體的演變是不可逆過程，設計成可逆過程來計算熵變比較困難。
2 對萬有引力的討論
由星云自發(fā)形成星體時，是增序的放熱過程，星體物質(zhì)的溫度特別是星體中內(nèi)部物質(zhì)的溫度將高于宇宙環(huán)境溫度而會使熵增加（根據(jù)熱力學第三定律），環(huán)境熵變因獲得熱能也會增加。注意物質(zhì)相互聚集過程是由無序變?yōu)橛行�，有使熵變減少的趨勢，但熱效應較低，熵變數(shù)值不算太大。恒星自發(fā)發(fā)光放熱也有使熵變減少的趨勢�？偟慕Y(jié)果是物質(zhì)相互聚集過程中的熵變增加[1]。可見物質(zhì)有相互聚集、相互吸引的屬性，萬有引力自發(fā)存在是熱力學第二定律的必然要求和結(jié)果，萬有引力應來源于熱力學第二定律[2]。
恒星在能源耗盡時，如恒星質(zhì)量小于錢德拉塞卡(S. Chandrasekhar)極限，恒星將塌縮為白矮星；如恒星質(zhì)量大于錢德拉塞卡極限而小于奧本海默(J. R. Oppenheimer)極限，恒星將塌縮為中子星。如恒星質(zhì)量大于奧本海默極限，除電子的簡并壓和中子的簡并壓抵擋引力外，中子分解成更小的基本粒子時需要吸收巨大的能源，如不發(fā)生物質(zhì)的湮滅或其它基本粒子間相互作用的放熱反應，恒星進一步塌縮將引起降溫減熵的因素多、概率大，由熱力學第二定律可知這種過程不可能自發(fā)發(fā)生，故黑洞能否形成將是個謎。
3 增熵是生物界和人類社會有序之源
一般情況下生物體中糖類化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的合成是需要吸收外界熱能才能完成（吸收正熵流），根據(jù)自由能G、焓H和熵S之間關系式 可知，在一定溫度下僅當熵變值為正時上述反應才會發(fā)生，總的結(jié)果是有利于積累熵即增熵。糖類化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的代謝是放熱的過程（產(chǎn)生負熵流），即消耗熵。而生物體生長和穩(wěn)定時期總是糖類化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的積累多于消耗，有利于增熵。動物只利用現(xiàn)成的食品再進行消化、吸收、合成糖類化合物、脂肪和蛋白質(zhì)，故比植物更有利于增熵。人類社會的平衡狀態(tài)應與生產(chǎn)力發(fā)展水平相適應，不應該總是對應于蠻荒時代或農(nóng)業(yè)文明，生產(chǎn)力發(fā)展水平的提高有利于獲得更多的穩(wěn)定的食品等即有利于增熵，生產(chǎn)力發(fā)展水平提高后需要把人們有序地聯(lián)系起來，使人們的物質(zhì)生活和精神生活受到自然規(guī)律的限制和制約，故需要科學發(fā)展觀理論的正確指導。生物界和人類社會占統(tǒng)治地位的演化應是從無序向有序、從低級向高級的進化，是一個增熵過程。不難看出，增熵是有序之源。熵的積累少于消耗時生物體將走向衰老和死亡。絕對的積累(無消耗)或過度消耗都是難以維持的，也是不符合科學的。
4 遠離平衡的狀態(tài)不會穩(wěn)定存在
非平衡的狀態(tài)如液體過冷、液體過熱、晶體亞穩(wěn)態(tài)、膠體等是不穩(wěn)定的狀態(tài)，在一定條件下容易向平衡的狀態(tài)（無論平衡狀態(tài)是無序的還是有序的）轉(zhuǎn)化。因此遠離平衡的狀態(tài)更容易向平衡的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，不會穩(wěn)定存在。
對于與外界有能量和物質(zhì)交換的敞開體系，普利高津(I. Prigogine)的耗散結(jié)構理論認為引入負熵流達到或大于熵產(chǎn)生（恒為正值）數(shù)值時就會使遠離平衡的有序結(jié)構變?yōu)榉�(wěn)定狀態(tài)，這是令人費解的結(jié)論。生物界和人類社會不可能遠離平衡狀態(tài)。
宇宙大爆炸不會無度的膨脹下去，并且將受到熱力學第二定律的強力制約。宇宙“熱寂”是不可能的。有序的電磁力、強相互作用力和弱相互作用力將使微觀粒子間存在相互聚集、相互吸引的屬性�？梢娢⒂^世界“熱寂”也是不可能的。
總之，自然界和生物界中實際上所有能發(fā)生的任何變化都應符合熱力學第二定律。因此熱力學第二定律是普適的“最高”定律。應注意，在所有的情況下都把熵和序（或混亂度）聯(lián)系起來是不正確的。對于與外界有熱量甚至物質(zhì)交換的敞開體系，增熵和減熵都是允許的，但應符合克勞修斯不等式。應注意，熵增加原理是克勞修斯不等式的一個特例而已。
參考文獻
[1] 趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程熱學[M].第2版.北京:高等教育出版社,2005.p294-295.
[2] 金成樹.自然界和生物界自發(fā)變化中的熵和序[J] .中國科技縱橫,2010,(22):265.

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