热熵、物熵和信熵对人类的影响

 熵是量度任何系统在微观层次上的无序程度的物理量。无序度越高则熵值越大。这个概念既包括能量和组成物质本身的无序度,还包括所有建构事物系统存贮的信息的无序度。我们把前者称之为热熵和物熵,而后者称之为信熵。它们之间是相互关联的,在认识这几种熵对人类生存环境的影响的前提下,更好地把握对热熵、物熵和信熵的平衡取舍,才能对人类社会的生存和可持续发展起到积极的作用。一、热熵和物熵的自然流向从能量角度来看,熵定律意味着自然进行的能量转化过程总是由有序度高的能量向有序度低的能量转化,这个过程必定朝着熵增加的方向进行。     

熵与感冒

 “熵”(Entropy)这一概念原本是热力学物理中的概念,“它表示系统中微观粒子无规则运动混乱程度的量度”,也可以说熵表示系统的无序程度。熵越大越无序(disorder),熵越小越有序(order)。熵现在已被广泛的用于社会、生态环境、生命、医学和信息控制等领域。熵增加原理告诉我们,一个封闭系统当内部发生不可逆过程时,它的熵就会增加,增加到一定值--熵极大时系统就会处于平衡状态。     

(火积)的微观表述

在近独立粒子组成的系统中,Boltzmann发现了系统熵与其微观状态数的对数之间的正比关系,为熵这一物理概念提供了微观解释,Planck将其总结为著名的Boltzmann熵公式S = k lnΩ.与此对应,给出了单原子理想气体系统中(火积)的微观表达式,证明了(火积)为广延量. 分析讨论了孤立系统从不平衡态发展到热平衡态过程中系统微观状态数、熵、(火积)的变化情况,结果表明在该过程中系统的微观状态数、熵向着增加方向发展,而(火积)则向着减小方向发展,从而在微观角度 关键词： 微观状态数 熵 (火积) 不可逆性     

基于多尺度熵的电力能量流复杂性分析

电力能量流复杂性主要体现于其动态行为的实时性、非线性及不确定性等,网络动力学行为分析是关键.本文在电力系统动力学平衡方程基础上,构建了系统势能与支路势能函数模型;通过提取扰动(或故障)后系统的能量信息,利用多尺度熵对扰动(或故障)后系统能量流演化过程进行了研究.结果表明:1)稳定运行状态下系统复杂度较低,且随着故障持续时间的增加,系统故障后呈现出更高的复杂度;2)不稳定运行状态下,系统在小尺度时间上表现出更强的不确定性,而在大尺度时间上表现出相对更明显的规则性;3)临界稳定运行状态与临界不稳定运行状态下,故障后的系统复杂度在不同时间尺度上呈现出较明显的差异,这对动态过程中临界点的识别有着积极的参考价值.本文研究揭示了电力能量流在物理动态过程中的演化机制,为电力系统动力学行为分析提供了新思路与新方法.     

双量子系统任意态的条件熵纠缠度

从量子纠缠的熵特征-负值量子条件熵出发,我们提出了双量子系统任意态的新的纠缠量度-条件熵纠缠度.我们证明了条件熵纠缠度具有纠缠的单调性,满足作为一个好纠缠量度的基本条件.作为一个应用,我们利用条件熵纠缠度研究了同时与真空腔场相互作用的两个全同二能级原子之间的纠缠.我们讨论了两原子初态对所考虑系统条件熵纠缠度的演化,并将其演化规律与concurrence作了比较.我们的结果表明:条件熵纠缠度能够作为一个双量子系统任意态的、容易解析计算的纠缠量度.     

谈熵

本文阐述了熵作为一个对状态无序性或不均匀性描述的物理量在热力学、统计物理、信息论、数学、天体物理乃至生物医学等不同领域的含义，指出了熵具有一切不可逆过程的共同特征，标志着时间进程的单向性．     

对熵的几种错误看法的讨论

前不久,在《科学技术与辩证法》1993年第1期上见到“熵——百余年科学之误”(后面简称《熵》)一文,认为熵是“错误的概念”,因而主张全面否定它,笔者认为,《熵》文的一些观点是错误的,下面特择其要,加以分析、讨论,以使熵知识的推广、普及得以健康发展。 1.熵是“皇帝的新衣”吗? 《熵》文中说:“‘熵’是…‘皇帝的新衣’…除了给出符号之外,严格的说就什么也没有去讲。”我们认为,《熵》文的看法是不符合实际的。 关于熵的物理意义,现在已经基本上弄清楚了:从宏观上说,它是系统接近平衡态的量度,熵越大,说明系统越接近平衡态;从能量上说,它是系统能量不可用程度的量度,熵越大,系统的可用能就越少,即能量的质变坏了,变得越来越没有用了,因此,对于能量的利用,不仅要注意数量,而且还要注意质量,只有这样才能使有限的能源得到更合理的利用。 从微观(统计意义)上讲,熵是系统无序程度(混乱度)的量度,熵越大,系统的无序度也越大,这种关系可用公式。     

漫谈熵

熵是物理中的一个既重要又微妙的概念。文章从物理学引入熵谈起,依次讨论熵与热力学第二定律、熵的统计力学定义、熵增与基础物理理论的矛盾,以及时间箭头与玻尔兹曼大脑,最后介绍著名的黑洞熵。     

强迫耗散系统的有序结构和系统的发展(Ⅱ)，广义能量极小值原理和系统的发展

利用大气非线性动力学证明了广义能量极小值原理，进一步从理论上证明它是同大气非平衡 态热力学最小熵产生原理在物理上是一致的.前者表明，强迫耗散动力系统的终态广义能量 达极小值；而最小熵产生原理表明，远离热力学平衡态的开放系其终态时系统内部的不可逆 过程最弱.而且，系统广义能量达极小值和系统熵产生达极小值的终态一般是一个稳定的定 态，它对应着系统的某种有序结构.也就是说它是一个“低耗高效”的有序定态.大气系统作 为自然界一个典型的物理复杂系统，其最小熵产生原理和广义能量极小值原理隐示了自然界 复杂系统的一个一 关键词： 强迫耗散系统 能量极值原理 有序结构 动力系统     

量子态在两体和k体下基于min相对熵的量子关联测度

量子关联作为量子力学的奇特资源已经被应用在很多方面,相对熵作为研究量子关联的关键概念之一,总是被用来度量物理系统状态所包含的不确定性.本文在已知min相对熵的一些基本性质的前提下,分别提出了在两体和k体分划下基于min相对熵的关联测度的定义.除此之外,本文证明了该定义满足量子关联测度的一些基本性质,包括非负性、在酉算子操作下保持不变性以及在完全正的保迹线性映射(CPTP)下的单调性.介绍了量子信道的概念,并且讨论了量子信道对k体分划下基于min相对熵的关联测度的影响.通过提出新的关联测度以及证明量子信道对该测度的影响,能够更好刻画物理系统状态所包含的不确定性.     

非定常输运基于香农熵的自动调整样本数策略

对于非定常输运问题提出了一种基于香农熵的自动调整样本数策略。将每一计算步的总样本数划分为若干批并逐步模拟每批中的粒子, 可以在每批粒子模拟结束后通过计算得到该时间步幸存粒子属性分布对应的香农熵值。采用在线收敛性诊断方法, 一旦通过香农熵值序列判断对应的幸存粒子属性分布已经收敛, 则可以提前结束本时间步的计算。对一个空间一维非定常输运模型的计算结果表明, 该策略可以显著减少每一计算步的实际样本数且保持最终的结果基本不变, 从而减少了计算时间, 提高了计算效率。     

熵与生命科学

 热力学第二定律指出,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。而直接反映热力学第二定律的是态函数熵,其数学表达式是熵增加原理：ｄｓ≥０。其物理意义是：一个孤立系统的自发过程总是朝着搞增加的方向进行,即从有序走向无序。而生命的发生、演化及成长过程都是从低级到高级、从无序到有序的变化。表面看来,这似乎都与热力学第二定律相矛盾。普里高津的耗散结构理论澄清了这一切。打开了一个从物理科学通向生命科学的窗口。耗散结构理论突破了热力学第二定律只适用于孤立系统的限制,将其适用范围推广到开放系统,并将热力学第二定律的数学表达式改为ｄｓ＝ｄ１ｓ＋ｄｅｓ。     

强迫耗散系统的有序结构和系统的发展(Ⅰ)，最小熵产生原理和有序结构

一个系统的发展总是由不可逆热力过程和非线性动力过程所驱动.将大气动力学方程组同考虑了动能变化的Gibbs关系结合起来构建的熵平衡方程，才能更好地描述大气系统的不可逆热力过程和非线性动力过程.至今非平衡态热力学仅利用Onsager线性唯象关系证明了最小熵产生原理.利用新建立的熵平衡方程和大气动力学方程的性质证明，最小熵产生原理在热力学线性区和非线性区都是普遍成立的.且当热量输送平衡、水汽输送平衡和动量输送平衡时，系统达到不可逆过程最弱的最小熵产生热力学状态.当系统又是动力平衡且无平流时，这种最小熵产生态就是 关键词： 非线性热力学 熵产生 最小熵产生原理 有序结构     

熵的宏观解释

熵是什么?熵是一个态函数,是一个真实的物理量,与体积、压强及温度一样真实。但是,体积可用量尺测定,压强可用压强计测定,温度可用温度计测量。而我们却没有一个测熵仪。正因为这样,我们觉得把熵作为描述系统状态的独立变量之一感到奇怪。那么,究竟怎样理解熵这个物理量呢?这个问题要从两方面去回答:一方面,从宏观上去认识熵代表什么,另一方面,从微观本质上去认识熵代表什么。从统计物理中知道,熵代表系统中分子热运动的混乱程度,熵的增加表明系统的混乱程度大的状态出现的可能性大。这是比较容易理解的。下面我们从宏观方面来解释滴的意义…     

如何让学生深刻理解熵的概念

 熵的概念,是热力学和统计物理学中非常重要而又较难理解的.克劳修斯(ClaUSiUS.R.J.E,1822-1888德国物理学家)于1850年提出热力学第二定律,1865年提出熵的概念,并将热力学第二定律表述为“宇宙的能量是不变的,而它的熵则总在增加.”现在,熵这个概念已经远远超出了热力学、统计物理学范畴,直接扩展到信息论、控制论、概率论、数论、天体物理、宇宙论、科学管理以及生命系统等各个不同领域.因此,如何在教学中让学生深入理解熵的概念,是一个重要的课题.     

热学中统计熵的一种理论解析

大学物理教学过程中,适当给出一些有特色的数学推导,有利于学生理解相关的物理内容和构建相应的物理图像.理想气体的统计熵是热力学中一个重要概念,它与理想气体的体积和温度有关.本文根据测不准关系,提出理想气体分子最小空间概念.利用概率统计的基本知识,通过一定的数学处理,推导出一个统计熵的表达式.这个表达式包含了温度和体积对统...     

对称双势阱玻色-爱因斯坦凝聚系统在周期驱动下的动力学相变及其量子纠缠熵表示

研究了在对称双势阱玻色-爱因斯坦凝聚体系粒子间相互作用项上外加周期调制而引起的系统动力学相变,特别地研究了该系统通向混沌的相变过程.发现在一定驱动参数下,当外加调制频率与系统固有频率达到共振时,相平面会出现不稳定性现象,即混沌.在混沌区域,粒子在各量子态随机分布,平均布居数差在零附近波动.特别地,研究表明,混沌现象的出现可以用量子纠缠熵来表征,混沌现象出现时,两种平均纠缠熵都趋于它们的最大值. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 双势阱 混沌 纠缠熵     

熵的一种通俗教法

熵如力、能量和动量一样是物理学中一个重要概念,若能用一种通俗易懂的方法设计熵的教学,对文科物理的教学有重要意义.为此本文提出了一种通俗的熵的教法,这一教法不需要学生学习热力学第二定律也可以建立熵的概念.具体教学设计如下:通过日常生活例子引入熵的概念(也就是玻尔兹曼熵),设计两个例子让学生会计算熵,通过具体问题的讨论让学生充分理解熵的意义,通过一个实例由玻尔兹曼熵引入克劳修斯熵公式,设计一个演示实验强化教学效果,将熵与环境保护联系起来融入人文情怀,最后还强调了熵计算的不同层次.教学设计完全采用基于问题学习(PBL)的教学模式.     

昼夜节律下心率变异性信号的熵信息和谱特征

生理系统产生的复杂波动信号能够反映其潜在的动力学特征.采用基本尺度熵和功率谱的方法分析24 h心率变异性信号.结果表明,心脏系统昼夜节律下生理和病理的变化伴随着变化的基本尺度熵和功率谱分布,但是对于近似熵,其变化却不明显;同时发现,基本尺度熵的变化能够反映相应的自主神经调控的变化,由于充血性心力衰竭患者迷走神经的调控被抑制,交感神经的调控占优势,所以数据中会出现更多变化的矢量模式组合,因此心力衰竭患者心率变异性信号的熵值较高;在夜间睡眠状态时,由于迷走神经的调控增强,交感神经的调控减少,所以健康人和心力衰竭患者的基本尺度熵都比白天清醒状态时产生了下降趋势.     

对称双势阱玻色-爱因斯坦凝聚系统在周期驱动下的动力学相变及其量子纠缠熵表示

研究了在对称双势阱玻色-爱因斯坦凝聚体系粒子间相互作用项上外加周期调制而引起的系统动力学相变，特别地研究了该系统通向混沌的相变过程.发现在一定驱动参数下，当外加调制频率与系统固有频率达到共振时，相平面会出现不稳定性现象，即混沌.在混沌区域，粒子在各量子态随机分布，平均布居数差在零附近波动.特别地，研究表明，混沌现象的出现可以用量子纠缠熵来表征，混沌现象出现时，两种平均纠缠熵都趋于它们的最大值.