熵增大的反应都能自发进行吗

【导语】熵是一个极为重要却晦涩难懂的物理量。正如爱因斯坦所说，熵理论在整个科学中的地位犹如第一法则。在其《两种文化与科学》中也强调了熵理解的重要性。那么，熵的概念是如何诞生的呢？让我们一同探究其起源与意义。

历史上，首先由克劳修斯引入了熵的概念。在19世纪，这位善于构思物理概念的专家，针对热力学第二定律，提出了一个新的态函数——熵。

克劳修斯（1822-1888）

克劳修斯最初提出熵的概念时，是基于守恒的观念。他希望找到一种形式，用以描述热机在循环过程中的必要条件。熵的最初定义集中在其守恒的特性上：无论循环是否理想，系统状态函数的熵在每次循环结束时都会回到其初始数值。

对于闭合的循环过程，首先将过程限定在可逆的情况下。对于任意的可逆过程，都有一个特定的公式成立，这个公式展示了过程中热量的流动和热力学温度之间的关系。这一公式的成立，证明了存在一个态函数，即熵。从一个状态到另一个状态的熵变化，可以在可逆过程中进行定义和计算。

给熵命名却令克劳修斯颇费思量。考虑到其与“能”的关联，他决定使用与“能”在字形上相近的希腊字来命名。最终，他选择了字义为“转变”的希腊字，其德文同音字为“Entropie”，英文翻译为“entropy”。这个名称与“能”的德文字“Energie”在字形上相近，从而得以定名。

而说到“entropy”的中文译名“熵”，背后还有一段趣事。1923年，普朗克教授来华讲学时，胡刚复教授首次将其翻译为“熵”。由于“entropy”这个概念过于复杂，胡先生巧妙地结合公式和其对热量的理解，认为其与火有关，于是在商字旁加火字旁创造了新字“熵”。这一译名既贴切又形象地表达了态函数“entropy”的物理概念。从此，“熵”被广泛采用并流传至今。

熵作为重要的物理量，在科学舞台上扮演着举足轻重的角色。值得注意的是，熵是作为热力学状态函数来定义的。对应于任一热力学平衡状态，总存在相应的熵值。不论系统经历的是可逆还是不可逆的变化过程，我们都可以沿着某一可逆的变化途径来计算状态的熵。这里以理想气体的自由膨胀为例来加以说明。

熵具有相加性。系统各部分熵相加等于整体熵。熵和内能一样是广延量，具有相加性。今天，历史赋予熵以越来越重要的使命，其作用和影响遍及各个方面，越来越为人们所关注和应用。

熵概念的诞生之所以重要，在于它能够将热力学第二定律以定量的形式表达出来。引入熵后，热力学第二定律可以表述为：在孤立系统内，任何变化不会导致熵的总值减少。由此产生的熵恒增定律表明，不可逆绝热过程总是朝着熵增大的方向进行。熵还具有判断过程是否可逆的重要作用。若熵不变，则过程是可逆的；若熵增大，则过程是不可逆的。这一原理为我们理解热力学过程提供了重要的定量判据。