四、信息热力学

既然热力学熵的概念包含在信息论的熵（广义熵）概念之中，那么， 是否可以从信息论概念来推广整个热力学，或者说，建立一种研究信息系统的更广义的理论体系，而以热力学系统作为其特例呢？下面即试图从这方面进行一些初步探论。

热力学系统与通信系统 对于热力学过程来说，如果没有冷热的差异或矛盾，热是不能传递和转化的。单一的热源既不能传热，也无法作功。要使作热运动的分子朝一定的方向运动，以传热和作功，就得用冷源来控制分子运动的方向，使热量从高温流向低温。这里，冷源的作用是提供信息，以控制热能转移的方向。

从信息论的观点来看，冷源便是一个信息源。在热量转移过程中，冷源接受热源的一部分热量，分子运动的混乱度增加。用信息论的术语来说，

热源是一个噪声源，它对冷源发生噪扰。这样，我们可以借用信息论的概念和术语把“热源——热机——冷源”所组成的热力学系统看成是一个通信系统，传热过程可以看成一个通信过程。

热力学第二定律的信息论表述方式 用信息论的术语来表述热力学第二定律，便是：如果不从外界得到新的信息，那么对信息所进行的操作和变换不可能使信息量增加，或者说，不定度不可能减少。热力学第二定律的信息论表述方式的含义更广，可应用于并非热力学过程的任何信息传递或变换过程，因此，可以称之为广义的热力学第二定律。

热和功 热是质点不规则的随机运动，是一种未受控制的能量形式。而能量作功时则是一种有规则的形式，能量以功的形式传递可以受到控制和管理。可以说，热是不带有信息的能量形式，而功则是一种带有信息的能量传递形式。因此，当利用冷源通过热机而提供信息，以控制和管理热源的能量传递方向，就可以获得功。当功这种带有信息的能量传递形式受到噪扰时便更会损失信息而转化为热，例如摩擦这种不规则的机械运动形式就会产生“噪声”，使信息损失，因而使功转变为热。

热力学第二定律的信息论表述方式告诉我们，任何自动进行的热力学过程总是要损失信息的。因此，功可以损失掉它所携带的全部信息而完全转变为热。而在不引起外界其他变化的条件下，热却不能全部转变为功， 这是因为在没有外界提供附加信息的条件下，信息的损失无法得到补充的缘故。同样，电能、光能、化学能等等，都是带有信息的能量形式，它们都可以全部转变为热，但在外界不提供附加信息的条件下，热就无法全部转变成其他任何一种携带信息的能量形式。

束缚能和自由能 能量的传递和转化必须有信息的控制才能进行。例如两个温度相等的物体进行热力学的相互作用，当外界不时它们作功时， 由于缺乏信息，热的传递不可能进行。但这两个物体都含有热能，这种由于缺乏信息而无法传递和转化的能量，便是束缚能。废热就是一种束缚能， 除非另外向它提供信息，否则便无法利用。

当二物体间存在温度差时，它们进行热力学的相互作用，就会产生单向性的热量传递。这是因为较冷的物体向较热的物体提供了信息，因而控制较热的物体的热量向较冷的物体转移。能够转移的热量部分便是“■”

（exergie）。另一方面，较冷的物体本身也具有一定温度，具有内部的分子随机热运动，在与较热物体的相互作用过程中又不断受到较热物体的噪扰，因此它不可能提供完全的信息。当两物体达到温度相等的热平衡状态时，便不再有可以利用的信息，因此能量传递就无法再进行。这时的■为0，只有束缚能或“■”（anengie 或 anexergie）了。

在热力学中，自由能 F=U-TS，式中 U 是总内能，由于热力学过程受分子热运动本身的噪扰而损失信息，也就是由于熵 S 的存在，使得其中 TS 的部分无法进行传递和转化，TS 这一项即束缚能。

可逆过程与不可逆过程 对于可逆过程，当其沿正方向进行后，又沿反方向进行而返回初态时，不引起周围环境的任何变化，能量传递或转化的能力毫无损失。因此，可逆过程实质上是不损失信息的过程。

理想的卡诺可逆热机，因为其中不存在任何漏气、摩擦和其他任何损失，因之也不损失信息，故能可逆地循环运转。热力学中设想的所谓准静态过程，过程进行的每一步都处在连续的平衡状态，变化无限小地进行，

过程进行的时间无限长，这样，在每一步中都几乎没有发生信息的损失， 因而是可逆的。这相当于信息论中的“正规变换器”或“非奇异变换器”。

不可逆热机由于有把功转变为热的摩擦存在，摩擦所导致的分子随机热运动对过程进行中的信息传递发生了噪扰，信息受到损失。因此不可逆热机的效率小于可逆热机。不可逆热机有信息损失，相当于信息论中的“非正规变换器”或“奇异变换器”。