熵增原理表述为:一个孤立的热力学系统的熵不减。对于系统的可逆过程熵不变,不可逆过程熵增加。与
热力学第二定律等价并可以表述为一个孤立系统达到平衡态以后熵最大。等价描述有很多,常用的有:绝热系统的平衡态内能最低;等压系统的平衡态焓最低;等温系统的亥姆霍兹自由能最低;等温等压系统的
吉布斯自由能最低。
三个基本定律
我们知道,在科学中有三个基本定律,即
质量守恒定律,能量守恒定律和电荷守恒定律。质量、能量守恒定律在微观领域又被推广为质、能相关定律。质量守恒定律,能量守恒定律和质能相关定律在数学上表示为等式。而
熵增定律则是不等式 , 即在孤立系中 , 熵增总是大于或等于零 ( △ S ≥ 0) 。在这种等式与不等式的差别中,隐含着深刻的意义。
从系统三象性的基点来看,问题是这样的:任何系统状态 ( 点 ) 上物质性、能量性、信息性不可分离地共存着,但物质 ( 质量 ) 和能量是守恒的,而信息却 ( 信息是
负熵 ) 不守恒。
在孤立的热力学系统中熵总是增加的。但是在这个结论是在不考虑到热力学系统内部有
万有引力的情况下得到的经验规律。在大到星际尺度时由于万有引力的作用系统倾向于朝向聚合的有序状态而不再倾向于本来的均匀无序状态。在星际尺度下由于万有引力形成的结构:恒星能够向外输出负熵流。这便能解释为何在地球上会出现生物这种有序化的结构。地球上的生物是一个开放系统,通过从环境摄取低熵物质(有序高分子)向环境释放高熵物质(无序小分子)来维持自身处于低熵有序状态。而地球整体的负熵流来自于植物吸收太阳的光流(负熵流)产生低熵物质。
对于不考虑万有引力的热力学系统,由于熵总是增加的,因而过程就出现单一的时间之矢,从而是不可逆的,这就与牛顿力学的可逆时间产生矛盾,出现牛顿、
爱因斯坦与普里戈金、哈肯的分裂。现代科学的普遍解释是熵增过程代表了系统的统计性质即巨量单元的长时间行为。在这个尺度上熵最大的构型是最为可能的状态。