熵增加原理在生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用

王麗娜 汪靜 周丹 遲建衛(wèi)

摘 ?要：文章主要從熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)角度給出熵的兩個(gè)定義，分別是熱力學(xué)定義及統(tǒng)計(jì)定義，同時(shí)詳細(xì)給出了熵的意義，并從熱力學(xué)中最基本的原理：熵增加原理出發(fā)，給出熵在生物學(xué)及環(huán)境學(xué)中的應(yīng)用。利用熵解釋生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題，將物理學(xué)中傳統(tǒng)理論課與生態(tài)環(huán)境聯(lián)系起來(lái)，在授課過(guò)程中達(dá)到課程思政的教學(xué)目的，培養(yǎng)大學(xué)生正確的價(jià)值觀，并能將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞：熵;熵增加原理;翻轉(zhuǎn)課堂;課程思政

中圖分類號(hào)：X821 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0180-03

Abstract： In this paper， based on thermodynamics and statistical mechanics the definition of entropy is given. Meanwhile， the meaning of thermodynamics entropy and statistical mechanics entropy are given in detail. According to the most basic principle of thermodynamics： the principle of entropy increase， the application of entropy in biology and environmental science is given. The entropy can also be used to explain the ecological environment deterioration. The traditional theoretical courses in physics are connected with the ecological environment， during the courses the correct values of college students are trained and the theoretical knowledge can be applied to practice.

Keywords： entropy; principle of entropy increase; flipped classroom; ideological and political theories

目前，全球環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重，據(jù)世界《紅皮書》記載，僅僅在二十世紀(jì)全球就有110種哺乳動(dòng)物以及139種鳥類在地球上消失了。北極熊利用海冰作為漂浮的平臺(tái)捕捉獵物，然而北極海冰正在以每十年9%的速度融化，危及到北極熊的棲息地和生存。海洋冰川的融化和海洋酸化直接影響野生動(dòng)物，并減少南極洲生物多樣化。鱗蝦的數(shù)量急劇減少，在一些區(qū)域，冰川和食物的減少導(dǎo)致南極企鵝數(shù)量下降。在南美洲，海龜在巴西海岸產(chǎn)卵。海平面的上升威脅著這些地區(qū)。氣候變暖還威脅到海龜?shù)暮蟠?，因?yàn)槌矞貒?yán)重影響到性別的確定：最冷的位置產(chǎn)出雄性后代，而較溫暖的位置產(chǎn)出雌性后代。因此保護(hù)環(huán)境刻不容緩，正如習(xí)近平總書記說(shuō)的“綠水青山就是金山銀山”，在傳統(tǒng)物理理論課的教學(xué)中，將熱力學(xué)中最基本的概念熵與生態(tài)環(huán)境聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中將物理理論應(yīng)用到保護(hù)環(huán)境的實(shí)際當(dāng)中，從而在教學(xué)過(guò)程中達(dá)到課程思政的教學(xué)目的，培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀。同時(shí)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到如何從自身做起保護(hù)環(huán)境。

1 熵的定義

我們?cè)俟浪阋幌氯祟惿a(chǎn)生活給地球這個(gè)開放系統(tǒng)所帶來(lái)的熵增是多少。一個(gè)體重為60kg 的成年男子熵產(chǎn)生率為0.4W/K，全球人均熵產(chǎn)生率為成年男子的60%，全球一共75億人口，總的熵產(chǎn)生率為1.8*109W/K，由于自然界生態(tài)效率低，而且光合作用并不能直接或間接被人類食用，因此目前地球的排熵能力已經(jīng)接近上限。如果人口繼續(xù)膨脹會(huì)使地球的熵增大于負(fù)熵，則地球會(huì)向著無(wú)序方向發(fā)展，則地球失去生機(jī)，人類失去賴以生存的家園。同時(shí)人類對(duì)能源無(wú)遏制的開采濫用也使地球環(huán)境不斷惡化，熵值不斷增加。當(dāng)熵達(dá)到最大的時(shí)候，則整個(gè)宇宙處于熱力學(xué)平衡態(tài)，此時(shí)能量轉(zhuǎn)化停止，壓力均勻，溫度梯度消失，整個(gè)宇宙處于熱寂狀態(tài)?，F(xiàn)今，世界上已有593種鳥、400多種獸、209種兩棲爬行動(dòng)物和20000多種高等植物瀕于滅絕。就像習(xí)總書記說(shuō)到的“綠水青山就是金山銀山”保護(hù)環(huán)境，從你我做起，我們不能增大負(fù)熵流的引入，但是可以盡量減少熵增，以保證地球向著更有序的方向進(jìn)化。

2.2 熵與生物

生物體的生長(zhǎng)，成熟，衰亡階段可以用熵增來(lái)表示。生物體的生長(zhǎng)過(guò)程可以看成是一個(gè)開放的非平衡系統(tǒng)，其有序性可以用熵增來(lái)表示，用廣義的熵描述生物體生長(zhǎng)過(guò)程稱為生物熵[4]。生物的進(jìn)化過(guò)程是一個(gè)有序度增加的過(guò)程，因此可以看成是熵減少的過(guò)程，在此過(guò)程中，生物體通過(guò)不斷的與外界交換物質(zhì)、能量、信息使生物體自身有序度增加，這是一個(gè)進(jìn)化過(guò)程，也是一個(gè)熵減少的過(guò)程。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，在0-20歲之間，這個(gè)過(guò)程是熵增為負(fù)的過(guò)程，在此過(guò)程中生命體有序度增加。20-35歲左右，此時(shí)生命體從外界吸收的負(fù)熵流與自身的熵增大約相等，總熵變接近于零，此時(shí)生命體表現(xiàn)為有序度平穩(wěn)狀態(tài)，生命處于旺盛階段。35-50歲左右，此時(shí)人體自身熵增略大于從外界吸取到的負(fù)熵值，生命處于平衡或者緩慢衰老狀態(tài)。50歲以后，生物負(fù)熵值小于自身熵增，熵變大于零，此時(shí)生物步入快速衰老和病變狀態(tài)。在生物體生命系統(tǒng)中，維持健康的必要條件是負(fù)熵流的獲取，如果生物總體熵變?yōu)檎龝r(shí)，則生物自身會(huì)出現(xiàn)衰老、病變。如果總的熵變?yōu)樨?fù)，則生物體呈現(xiàn)生機(jī)勃勃的狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

熵在熱力學(xué)于統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中有著舉足輕重的地位，可以用熵描述某一個(gè)過(guò)程是否可以，例如對(duì)于孤立系統(tǒng)絕熱過(guò)程，可逆過(guò)程熵不變，不可逆過(guò)程熵增加，因此我們可以根據(jù)熵變大小判斷未知的過(guò)程是否可逆。而對(duì)于開放系統(tǒng)，我們亦可以利用熵變判斷系統(tǒng)的有序程度，熵變?yōu)樨?fù)，則有序度增加，熵變?yōu)檎瑒t有序度減少。熵增加原理在生態(tài)環(huán)境、信息工程、生物學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。再利用熵增加原理講解熵與環(huán)境的關(guān)系時(shí)，可以把課程思政的內(nèi)容代入到課堂當(dāng)中，在授課過(guò)程中，使學(xué)生明白，為了地球這個(gè)開放系統(tǒng)能夠向著更有序的方向發(fā)展，每個(gè)人要盡力減小自己的熵增，只要自身的行為使得地球這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)向著有序方向發(fā)展都是在減少自身的熵增。小到撿起地面的一片廢紙，保護(hù)地球上有限的資源都是在減少自身的熵增。鼓勵(lì)學(xué)生在日常生活中保護(hù)環(huán)境，愛護(hù)地球。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪志誠(chéng).熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]薛定諤.生命是什么？[M].湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[3]賀會(huì)玲.熵與生態(tài)環(huán)境[J].生物學(xué)通報(bào)，2005，40（7）：19-21.

[4]馬遠(yuǎn)新.生命過(guò)程與生物熵[J].數(shù)理醫(yī)藥學(xué)雜志，2009，22（1）：3-5.