[科普中国]-定熵过程

含义

定熵过程又叫可逆绝热过程。所谓绝热过程乃是气体在和外界没有热量交换的条件下进行的热力过程。当过程进行的很快时，工质与外界还来不及与外界交换热量或是交换热量很少，则可近似地看作绝热过程。涡轮喷气发动机的压气机内空气的压缩过程，燃气在涡轮内和尾喷管内进行的膨胀过程，都可近似地看作绝热过程。

在定熵过程中，不仅气体与外界交换的总热量为零，而且在过程进行的每一微元段与外界交换热量也是零，所以可逆绝热过程是dp=0和q=0。1

定熵过程就是可逆绝热过程，在定熵过程中，气体的温度、压力、比热容都发生变化，它们之间的变化规律比较复杂。定熵过程中的熵值不变，所以该过程在T—S图上是一根与S坐标轴相垂直的直线。如下图所示。

分类定熵过程分为可逆干绝热过程和可逆湿绝热过程。

一、可逆干绝热过程

对于定质量的气块，它的状态是由气压（p）、温度（T）、和任意一个湿度参数（如比湿q）共同决定，而气块在垂直升降运动过程中其状态不断发生变化，因此必须获得气块状态变量随高度变化规律。

在垂直升降运动过程中，气块中所含的水汽始终未达到饱和，没有发生相变的绝热过程，称为干绝热过程。这里的干表示未饱和气块在绝热过程中没有发生水相的变化，并非指不含有水汽。由于满足垂直运动的三个基本假设，即绝热条件、准静态条件、静力平衡条件，因此他又是可逆过程，常称为可逆干绝热过程。2

二、可逆湿绝热过程

气块上升时到等熵凝结高度以上，水汽开始凝结并释放出潜热，如果饱和气块继续上升且凝结物全部保留在气块内，并与外界无热量交换；当气块下沉增温湿，这些凝结物又蒸发，使气块始终维持饱和状态，所耗的潜热与原来释放的潜热相等，沿逆过程后仍能回到原来的状态，这样的过程称为可逆湿绝热过程，又称为湿绝热过程，这里的“湿”表示在饱和的绝热气块内发生水相变化。

可逆湿绝热过程是一个定熵过程，虽然在可逆式绝热过程中发生了相变，但水汽和凝结出来的液态水总质量（mv+mt）不变，干空气质量md也不变。因此可以利用熵函数来推导湿绝热方程。由于可逆过程熵不变，即dS=0,即可得到可逆湿绝热方程。

定熵可逆的绝热变化，体系的熵值不变，是定熵变化。在工程上作为与真实绝热过程比较用的标准工况。例如喷管可视作绝热过程，而定熵过程将代表其最佳的工况。定熵过程常用来分析透平和压缩机的最大输出功和最小输入功。发电厂设计中多采用这种方式求取某一系统的设计参数。

熵增定律仅适合于孤立体系，这是问题的关键。虽然从处理方法上讲，假定自然界存在孤立过程是可以的。但是从本质上讲，把某一事物从自然界中孤立出来，就使理论带上了一定的主观色彩。实际上，绝对的联系和相对的孤立的综合，才是事物运动的本来面目。那么，当系统不再人为地被孤立的时候，它就不再是只有熵增，而是既有熵增，又有熵减了。如果说熵增是混乱度增加，而熵减是有序度增加的话，那么，真正的过程必然是混乱与有序的综合过程。因而，系统就必然出现熵增和熵减诸种情况。3

现在，一个中心问题出现了，在系统状态 ( 点 ) 上的熵增和熵减过程中，是否存在一个不动点 , 使熵增和熵减达到平衡 ( △ S=0) 。在孤立体系中，平衡状态也是熵增为零。当进行研究的时候，一旦熵增 ( 减 ) 等于零，我们似乎就觉得比较满意了。熵增 ( 减 ) 为零，熵为常数。常数还有什么研究的必要呢 ? 放在公式中就行了。然而，问题并不简单。信息熵等于常数，并不是其它量等于常数。物质、能量的出入使事物的质能变化不是一个常数。如果我们过去往往在物质、能量一定的前提下来讨论熵增加的话，那么，我们是否忽视了一个问题，即在熵恒定的情况下来讨论物质、能量的变化呢 ? 更进一步说，如果自然界存在这一类过程，即熵恒定的过程，再结合到质、能守恒，那么，我们就有了这样一组十分满意的公式：

m （t）=Cm

u（t）=Cu

s（t）=Cs

其中 t 是时间， m 、 u 、 s 是物质量、能量、信息 ( 负熵 ) ， Cm 、 Cu 、 Cs 是常数。

在系统状态 ( 点 ) 的变化过程中，要在每时每刻都保持信息 ( 负熵 ) 为恒量，是一个太强的条件。而许多过程可以表现为在某些时间位点上信息 ( 负熵 ) 为恒量。这时，系统出现熵振荡过程，当熵振荡的时段极短时，它趋近于定熵过程。

示例在自然界和人类社会中，定熵过程是很多的，仅举几个例子做一简略讨论。

关于质点运动。因为在低速情况下，任何物体的质量是不变的。因此，它只有一种状态，故质点运动是一个质量等熵过程，这是何以能把任何一个物体视为一个质点的原因。在高速状态下，物体有多种质量状态，这时，质点运动就不一定是定熵过程。

关于信息变换与传递。信息变换与传递是一个典型的定熵( 不是指热熵 ) 过程。申农说，信息论研究的课题是如何“精确地或近似地在一点重现另一点新选择的符号”，这实际上就是试图在定熵条件下来研究信息传递。另外 , 结构相似性、过程相似性、结构与功能、事物的同规律、集合的映射、实物与图形、记忆、语言与对象、生命常态、生物节律等，都包含着定熵过程。4