1865年，物理學家克勞修斯提出了熵的概念。熵就是溫比熱量，是熱量的變化除以絕對溫度所得的商，也就是熱力學系統平衡態的狀態函式。熵量則是無序程度的量度。
基本介紹
- 中文名：熵量
- 時間：1950年
- 國家：德國
- 人物：克勞修斯
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熵量的提出
熵量是在宇宙系統中，除了質量、能量外，另一種物理量。在宇宙中，不但質量是守恆的，能量是守恆的，而且，總的熵量也是守恆的。
熵量增加原理
克勞修斯提出熵的概念後，進而發現了熱力學第二定律，亦稱熵量增加原理：
dS大於等於dQ/dT。
其中dS為初態和終態均為平衡態的某過程的熵變，dQ為在此過程中熱量的變化，T為溫度，不等號表示不可逆過程，等號表示可逆過程。上式中的 dQ=-cdT，亦即系統中熱量的變化。其中c為熱容量，符號-表示系統具有負的熱容量。事實上，對於某個熱力過程，不管初態、終態是否平衡，該式都成立。對於孤立系統，有：
ΔS大於0。
可以看出，以上兩式是在無約束的條件下得出的。在這種系統中，各物體是排斥性的，是一種熱力擴散性的結構。
熵減原理
2001年，本人發現，在自然約束的引力系統中，粒子的動能小於勢能，即E小於等於（1/2）V，其中E為粒子的動能，V為引力勢能，V=-GMm/r，G為萬有引力常數，M為場源的質量，m為引力場中某粒子的質量，r為粒子到場源中心的距離。上式表明，在約束性的系統中，系統的總能量為負。同時，我們看到，在引力場中，粒子的運動類似於某系統中的熱運動。因此，可以用熱力學的方法來研究這種運動。現在，用上式代換熱力學第二定律、亦即熵量增加原理中的熱量dQ，代換後的能量（1/2）V的含義與熱量dQ的含義相類似。由此，我們得出，在自然約束系統中，存在熵量減少的現象，並進而發現了熵量減少原理，亦即引力約束系統的熱力學定律：
dS小於等於（1/2）V/T小於等於0。
熵量守恆定律
宇宙中的白洞過程，是熵量增加的過程。20世紀上半葉，多位數學家和物理學家提出了大爆炸和熱膨脹的模型。在大爆炸和熱膨脹的過程中，某宇宙系統的半徑從約等於0增大到最大，溫度從最大下降到最小。我們將處在這一過程中的宇宙系統劃分為充分小的各個小系統，通過積分，有，熵量S大於0。這是一個熵量增加的過程。
對於黑洞過程來說，則是熵量減少的過程。假設某宇宙系統在熱力作用下,經過某個膨脹過程以後,停止膨脹,速度為零,溫度下降到最小。這時，在引力的作用下，某宇宙系統開始收縮，並最後坍縮成黑洞。在收縮過程中，引力占優勢，勢能絕對值|V|大於動能K，Q為負值，熵為負。顯然，在這一過程中，其半徑減小，從最大減到約等於0，，溫度從最小逐漸上升，在坍縮成黑洞時，溫度達到最大。這是一個熱化的過程。現在，也將該宇宙系統劃分為充分小的各個小系統，通過積分，有，熵量S小於0。
熱力學第二定律指出，對於可逆過程，其積分可沿任一路徑進行，在沿可逆過程對溫比熱量的變化進行積分時，其積分與路徑無關，即積分結果為一常量。在某些特殊的情況下，個別白洞、黑洞過程可以構成循環系統。這種特殊情況，就是這樣的可逆過程。對於這種可逆過程，從以上可得：
S=0。
從以上可見，白洞具有的是正的能量，黑洞具有的是負的能量。在白洞、黑洞構成循環過程的系統中，總的能量變化為0，也就是說，能量是守恆的。同時，從此式可見，總的熵量變化也為0，也就是說，熵量也是守恆的。
在宇宙中，除了某些白洞—黑洞過程構成循環系統的特殊情況外，在一般情況下，大多數白洞、黑洞過程是錯開的，並不構成循環系統。假定在宇宙中有m個天體處於白洞狀態，有n個天體處於黑洞狀態。在宇宙中，在總體上，白洞、黑洞總是相繼發生的。在一般情況下，對於兩相鄰的白洞、黑洞來說，白洞的正能量和黑洞的負能量並不一定是相等的。但是，根據對稱性原理，在總體上，宇宙中的白洞、黑洞是對稱的，白洞的正能量和黑洞的負能量總是相互抵消的。在這種情況下，可以令m=n，從而有：
S=0。
從以上可見，在局部區域，兩相鄰的白洞、黑洞並不一定兩兩構成循環過程，但在總體上，白洞、黑洞是兩兩對應的，因此，在整個宇宙系統中，能量是守恆的，熵量也是守恆的。這就是宇宙系統的熵量守恆定律。
從上面可以看出，不但在白洞、黑洞構成循環系統的特殊情況下，熵量是守恆的，而且在宇宙系統中相鄰的白洞、黑洞並不兩兩構成循環過程的一般情況下，宇宙中的熵量也是守恆的。能量守恆定律經過無數實驗的檢驗，證明是正確的。熵量守恆定律是從能量守恆定律推導出來的。因此，同質量守恆定律和能量守恆定律一樣，熵量守恆定律也是正確的，熵量守恆定律也是宇宙中的一條基本定律。
英國物理學家霍金指出，宇宙中的物質具有正能量，但物質彼此以引力相吸引，而引力具有負能量。在近似均勻的宇宙空間中，負的引力場正好抵消物質所代表的正能量，因此，宇宙的總能量為零。我們發現，熵量和能量有著密切的關係，從而得出，在非均勻的宇宙空間中，在物質較少的區域，物質所代表的正能量將大於場源所產生的負能量，因此，總的能量為正，這是擴散性熱力系統熵量增加的原因。在物質較多的區域，場源產生的引力場的負能量將大於物質所具有的正能量，因此，總的能量為負，這是約束性引力系統中熵量減少的原因。同時，可以進一步預計，從整體看，約束性的引力系統中物質運動的負能量，將抵消擴散性的熱力系統中物質運動的正能量，因而，約束性的引力系統熵量的減少，將抵消擴散性熱力系統熵量的增加。就整體而言，引力約束系統的熵量減少原理和熱力擴散系統的熵量增加原理，是互補的。也就是說，將以上的熵量減少原理與R.克勞修斯的熵量增加原理結合起來，可以得出，宇宙總的熵量為零，宇宙中的熵量是守恆的。這就是熵量守恆定律。按照熵量守恆定律，宇宙是熵增和熵減交替的過程，或者說，是熱寂和熱化交替的過程。這兩個過程的交替運行，將使宇宙永遠處於充滿活力和生機的狀態。
