熵

一、熵的概念引入的基础

人们在长期的生产、生活中早已发现，在自然界的许许多多的物理现象中，有些变化可以自发发生与进行，而有些变化则不能自发进行．例如水会自动地由高处向低处流，但水不会自发地由低处流到高处；热能自发地从高温物体传递给低温物体，但热不会自发地由低温物体传递给高温物体；气体的扩散可自发地进行，一滴墨水也可自发均匀散布在一杯水中， 但气体与墨水不会自发地聚集起来；物体摩擦会生热，但热不能使物体自发地相互摩擦．面对这些现象，人们进行了长期的探讨．十九世纪中叶， 由迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的发现的能量守恒与转化定律也被称为热力学第一定律，它指出，一切物理过程都必须遵循能量守恒与转化定律，对于热现象来说，热不会消灭，只能转化，而这种转化也必须遵从热力学第一定律．热力学第二定律进一步指出，热的转化是有一定条件的，有些情况可以转化，而有些情况则不可能发生转化．热力学第三定律指出，绝对温度的零度是不能达到的．而绝对零度则是表明，物质的一切运动包括热运动都不复存在了．所以这一定律说明了热不可能全部转化为其他运动．就热力学第二定律而言，实质上它明确指出了与热现象有关的一切宏观自发过程都是不可逆的，也即在外界条件不变的情况下，过程不能沿着原来的途径复原．

从热学的发展史来看，一方面，热力学第零定律（热平衡定律）的建立，确立了一个态函数温度，它是物体冷热程度的量度；热力学第一定律的建立又为我们确立了一个新的态函数内能，它是物质间能量转化多少的量．很自然的，在热力学第二定律建立后，我们就要寻找一个作为在一定条件下确定过程进行方向的标志的一个新的态函数．另一方面，一切热力学过程都满足热现象在内的能量守恒与转化定律，但是能满足的却不一定都能实现，热力学第二定律就给出了答案，对于一切热现象有关的过程都是不可逆的．在热传导方面，热自动由低温物体传向高温物体的过程是不可能，其判据为温度；在扩散现象中气体分子自动从密度小的地方迁移到密度大的地方也是不能实现的，其判断进行方向的标准是密度；在液体流动中，水不会自动由低水位流向高水位，其判据为压强；在电荷运动现象中，静止的正电荷从低电势向高电势运动也是不可能的，其判据为电势．等等，对于这些不同的现象，判断其自发过程进行的方向和限度的标准有必要寻找一个共同的量，能判断所有自发过程进行的方向．所有这些都要求

在物理学中有必要引人一个新的物理量，于是克劳修斯提出了熵的概念．