編者按:
熱力學熵的概念是西方德國熱物理學家克勞修斯作為熱力學研究中的概念提出來的。但什麼是「熵」?一百多年來莫衷一是。中國船舶重工集團公司高級經濟師、工程師李玉山所作的《熵的本質與宇宙生命創造演化》的報告引起學術界關注。李玉山希望他20多年前的研究成果能夠早日得到承認,也非常希望通過學術爭論得到專家學者的指正。現刊登李玉山《熵的本質與宇宙生命演化》一文的基本觀點,以期引發討論。
問題的提出
熵的問題最早是19世紀60年代德國物理學家克勞修斯(Clausius)作為熱力學研究中的概念提出來的。1867年,克勞修斯在法蘭克福舉行的第41屆德國自然科學家和醫生代表大會上,提出熵的概念和宇宙的熱寂說,引起了科學界乃至歐洲社會各階層人士的極大關注,從此一場曠日持久的爭論便展開了。自克勞修斯提出熵這一問題後,一百多年來,熵問題的討論已波及到資訊理論、控制論、概率論、數論、天體物理、宇宙論和生命及社會等多個不同領域。但由於自然存在的複雜性,使熵的定義出現了極大的混亂,各種議論概念含糊、問題矛盾多多。究其根由,恰恰是歷史上所有經典的熵理論概念含糊,甚至是錯誤的,反映出有關研究並沒有把握到自然生命與熱物理過程的實質,才導致了熵問題討論的極大混亂。
顯然,在弄清楚自然的宇宙生命系統和熱力系統演化過程的普遍規律和機制的基礎上,重建熵的概念已經勢在必行。這個問題的解決,將是當代世界科學前沿的重大原始創新突破。
從宇宙生命系統和熱力系統的演化過程規律看熵問題的本質
從自組織、自成長的「增勢」過程到自衰落、自死亡的「熵增」演化過程。
我們都知道今天的大千世界是自然進化而來的。我們說進化,是說自然生命的進化是一個逐級演進的過程。進化與演化是有著不同概念的,進化強調的是生命系統演化前期(包括熱物理系統)的「增勢過程」,而演化則強調的整個生命的周期過程,包括前期的「增勢過程」和後期的「熵增過程」的周期性漲落。增勢過程是自組織自成長的過程;而熵增過程則是自衰落自死亡的過程(包括熱動力做功的過程),演化包括了生命系統從出生到死亡的全過程;而演進則是說明生命系統在周期性漲落的演化中不斷進化。作為自然生命系統的演進,既包括細微的小梯級進化,也包括躍遷式的大層級進化。而在整個地球生命系統演化過程中,生命的大爆發和大滅絕是交替出現的,並且到現在地球生命系統一直在演進著,但已經到了地球生命演進的最高層次——人類社會的演進過程中。
自然的宇宙是一個廣義的生命系統,在自然創造演化的每一個層次上都存在著不同自然進化等級的廣義生命聚散演化過程。自然生命創造演化的意義就是:開放的自然存在可以在創新的意義上躍遷進化或「湧現」成為高等級的自然存在。在自然規律的使然下,物極必反,經過一定的周期又走向衰落和死亡。在這一過程中又會發生向更高等級生命形態的躍遷進化或湧現。當然在整個宇宙生命演化過程中的進化等級的有限的、更是有道的(道是自然演化最普遍最深刻的最根本的演化規律,是所有自然存在演化都絕對遵循的規律,在中國古代大科學思想中有著無與倫比的精深論述)。
在宇宙生命自然演化的意義上,熵概念的本質是生命系統(機體)創造機能下降,熵增的過程是生命系統自衰落自死亡的老化過程。
工程熱力系統具有人工生命系統創造演化的意義,也存在增勢和熵增的過程。這種增勢和熵增的過程有兩個層面的意義:一是熱力工程機械創造與初期運行的增勢過程,即熱力機械的製造與運行初期的磨合過程;其後是熵增過程,即熱力機械運行經過磨合後達到了額定最大功率,可以正常運行以後,即開始了熵增過程。熱力機械系統開始因磨損、熱疲勞和機械疲勞而逐步發生老化,直到效率不斷下降、事故不斷發生,最後報廢。二是熱力機械系統的熱力循環過程中的「勢增」與「熵增」的過程。
熵的本質意義與機能熵和工質熵
自然生命系統的呼吸漲落與工程熱力系統熱力循環的漲落效應,都不是「可逆過程」而是循環過程,熵的本質意義是表現在每一次呼吸漲落或熱力循環所導致的系統長程演化的機能效率的衰減效應。這種效應稱為機體熵或機能熵。
熵的一般意義就是:喪失、衰落、損耗,表徵系統機能效率的衰減或創造能力下降乃至於喪失。
熵的本質是從「有創造力到喪失創造力——喪失自發行為」。克勞修斯的「孤立系」熵增試驗模型所表達的就是系統從有結構——有序、有信息、有自發創造力,到無結構——無序、無信息、無自發創造力(死寂)的演化過程。自組織、自成長、自創造,是宇宙生命系統的本能。
作為工程熱力系統的對外做功過程,也是一個勢能(位能)的釋放過程或工質內能的散發過程,是工質的耗散演化過程。對於氣體工質而言,在高位能的勢態下具有較高的做功能力或具有較高的創造活力;當工質的氣體位能與環境一樣(均衡)後,則工質的有效位能為零,自主活力為零——創造力為零——喪失了繼續做功能力,成為廢氣,這時熱力循環系統的工質狀態熵達到最大。
自然生命系統的勢增所表達的是生命創造力和自主活力不斷增加的過程,是生命系統對物質、能量和信息(知識)不斷聚集發展的過程,而生命結構的秩序是來自於生命基因的「導演」,但生命時間周期演化的過程控制(作為有機生命仍然存在基因的直接有道控制表達)則是來自於自然生命演化之道的控制。而生命系統的熵增則是表現為生命創造力衰減或自主活力衰減,是生命系統對物質、能量和信息(知識)轉化機能下降及不斷損耗散失的過程,而生命結構機能的弱化則也是來自於生命基因的「導演」,但生命時間周期演化的過程控制(作為有機生命仍然存在基因的直接有道控制表達)則是來自於自然生命演化之道的控制。
為此,我們把自然生命系統和工程熱力系統演化的熵稱為「機體熵」或「機能熵」,也可以稱為「系統熵」,這是真正意義上的熵,具有廣義生命演化意義上的熵,體現了生命系統衰落的過程或工程熱力系統長程運動損傷做功效能衰減的過程。而作為熱力學意義上的熱力循環過程中的熵問題,則可以稱為「工質熵」。在一般熱力循環意義上是一種吐故納新的過程,討論工質熵的意義是為了解決熱機在每一次熱力循環過程中的熱效率和有效功率問題。提高熱機工作熱效率和有效功率,是通過研究不同熱力參數的熱力循環過程的熱效能來實現的。工質熵是熱力學研究的範疇,所以工質熵還可以稱為「熱力學熵」。
小結
我們把熱力學熵稱為工質熵,而把系統熵稱為機體熵或機能熵。這是兩種性質完全不同的熵概念,工質熵是一個相對函數值,對熱力系統的熱力參數的熱效率對比選擇研究很有意義;機體熵是一個狀態函數值,對熱力系統的熱效率和機械性能研究同樣很有意義。工質熵的熱效率問題在熱力工程的設計研究過程中有意義;而熱力系統的機體熵則是在使用維護過程中有意義,兩者有本質的不同。