对万有引力和热力学第二定律中平衡状态的研究-物理职称论文发表

对万有引力和热力学第二定律中平衡状态的研究
金成树
摘要: 本文指出自然界和生物界中的所有自发变化都应符合热力学第二定律。万有引力定律也应符合热力学第二定律。平衡状态不总是指向简单混乱无序的状态。增熵是生物界和人类社会有序之源。远离平衡的状态不会稳定存在。
关键词: 万有引力定律；热力学第二定律；平衡状态；熵；序
中图分类号：O414.1 文献标识码：Ａ
作者简介：金成树（1964-），男（朝鲜族），黑龙江绥化学院副教授，主要从事物理化学和配位化学研究。
自发变化（包括实际上所有能发生的任何变化）应符合克劳修斯(R. Clausius)不等式（即热力学第二定律的数学表达式）。下面讨论对万有引力和热力学第二定律中平衡状态的研究。
1 平衡状态不能只有混乱无序的状态
受克劳修斯“热寂论”和玻兹曼(L. Boltzmann)的统计熵理论等的影响，包括著名学者在内的其他人也认可把所有变化过程的最终平衡状态都描述为简单混乱无序的状态。其实有大量的变化过程的平衡状态是趋向于有序复杂的状态，如糖类化合物、脂肪和蛋白质的合成，又如星体形成、气体冷凝为液体、液体冷凝为固体等等。可见，片面夸大平衡状态的简单无序性，否认有序复杂性的平衡状态的存在是不正确的。天体的平衡状态可能处于无序状态和有序状态平衡并存与振荡中。
熵变与平衡状态没有直接联系，而只与可逆过程的始终态直接相联系，可逆过程的始终态可以是非平衡或远离平衡的状态。熵变应设计成可逆过程来计算，可逆过程的热温商加和才是熵变，不可逆过程的热温商加和不是熵变，故放热对应于减熵或负熵，吸热对应于增熵或正熵。可逆过程与可逆化学反应不能混淆。天体的演变是不可逆过程，设计成可逆过程来计算熵变比较困难。
2 对万有引力的讨论
由星云自发形成星体时，是增序的放热过程，星体物质的温度特别是星体中内部物质的温度将高于宇宙环境温度而会使熵增加（根据热力学第三定律），环境熵变因获得热能也会增加。注意物质相互聚集过程是由无序变为有序，有使熵变减少的趋势，但热效应较低，熵变数值不算太大。恒星自发发光放热也有使熵变减少的趋势。总的结果是物质相互聚集过程中的熵变增加[1]。可见物质有相互聚集、相互吸引的属性，万有引力自发存在是热力学第二定律的必然要求和结果，万有引力应来源于热力学第二定律[2]。
恒星在能源耗尽时，如恒星质量小于钱德拉塞卡(S. Chandrasekhar)极限，恒星将塌缩为白矮星；如恒星质量大于钱德拉塞卡极限而小于奥本海默(J. R. Oppenheimer)极限，恒星将塌缩为中子星。如恒星质量大于奥本海默极限，除电子的简并压和中子的简并压抵挡引力外，中子分解成更小的基本粒子时需要吸收巨大的能源，如不发生物质的湮灭或其它基本粒子间相互作用的放热反应，恒星进一步塌缩将引起降温减熵的因素多、概率大，由热力学第二定律可知这种过程不可能自发发生，故黑洞能否形成将是个谜。
3 增熵是生物界和人类社会有序之源
一般情况下生物体中糖类化合物、脂肪和蛋白质的合成是需要吸收外界热能才能完成（吸收正熵流），根据自由能G、焓H和熵S之间关系式可知，在一定温度下仅当熵变值为正时上述反应才会发生，总的结果是有利于积累熵即增熵。糖类化合物、脂肪和蛋白质的代谢是放热的过程（产生负熵流），即消耗熵。而生物体生长和稳定时期总是糖类化合物、脂肪和蛋白质的积累多于消耗，有利于增熵。动物只利用现成的食品再进行消化、吸收、合成糖类化合物、脂肪和蛋白质，故比植物更有利于增熵。人类社会的平衡状态应与生产力发展水平相适应，不应该总是对应于蛮荒时代或农业文明，生产力发展水平的提高有利于获得更多的稳定的食品等即有利于增熵，生产力发展水平提高后需要把人们有序地联系起来，使人们的物质生活和精神生活受到自然规律的限制和制约，故需要科学发展观理论的正确指导。生物界和人类社会占统治地位的演化应是从无序向有序、从低级向高级的进化，是一个增熵过程。不难看出，增熵是有序之源。熵的积累少于消耗时生物体将走向衰老和死亡。绝对的积累(无消耗)或过度消耗都是难以维持的，也是不符合科学的。
4 远离平衡的状态不会稳定存在
非平衡的状态如液体过冷、液体过热、晶体亚稳态、胶体等是不稳定的状态，在一定条件下容易向平衡的状态（无论平衡状态是无序的还是有序的）转化。因此远离平衡的状态更容易向平衡的状态转化，不会稳定存在。
对于与外界有能量和物质交换的敞开体系，普利高津(I. Prigogine)的耗散结构理论认为引入负熵流达到或大于熵产生（恒为正值）数值时就会使远离平衡的有序结构变为稳定状态，这是令人费解的结论。生物界和人类社会不可能远离平衡状态。
宇宙大爆炸不会无度的膨胀下去，并且将受到热力学第二定律的强力制约。宇宙“热寂”是不可能的。有序的电磁力、强相互作用力和弱相互作用力将使微观粒子间存在相互聚集、相互吸引的属性。可见微观世界“热寂”也是不可能的。
总之，自然界和生物界中实际上所有能发生的任何变化都应符合热力学第二定律。因此热力学第二定律是普适的“最高”定律。应注意，在所有的情况下都把熵和序（或混乱度）联系起来是不正确的。对于与外界有热量甚至物质交换的敞开体系，增熵和减熵都是允许的，但应符合克劳修斯不等式。应注意，熵增加原理是克劳修斯不等式的一个特例而已。
参考文献
[1] 赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程热学[M].第2版.北京:高等教育出版社,2005.p294-295.
[2] 金成树.自然界和生物界自发变化中的熵和序[J] .中国科技纵横,2010,(22):265.