热力学第二定律微观解释

热力学第二定律的微观解释,一个“妖精”，神通广大，能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A ，B两部分，并在隔板上安装一个阀门，当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。,假设这个容器开始时完全充满了一定温度的气体，按照热的动力论，一定的温度对应于分子的一定的平均温度，因为气体分子的运动具有随机性质，有的分子的速度将大于平均值，有的则将小于平均值。妖精在适当的时候打开阀门，让快的分子从B 进入A，慢的分子从A进入B ，结果不须消耗能量，B 部分的温度就下降，A部分的温度就上升，热量可以自发地从低温物体流向高温物体。,一般的解释是：妖精必须得到一些“知识”，才能把“快”分子和“慢”分子区分开来。为了获得这些信息，要不要消耗能量？如果需要，则容器、气体、隔板、妖精作为封闭系统，为得到所要信息所需的能量，将不大于因利用这一信息而消耗的能量，并没有违反热力学第二定律。,麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗？,自发过程总是从有序到无序演化,但是麦克斯韦的妖精可以使其向有序化发展，酶，就是生命中的麦克斯韦的妖精；而人类全体作为麦克斯韦的妖精，增加着社会的有序度。毕竟，“妖精”，用通俗的话说，是个生物，也是个信息系统，“妖精”就是对宇宙演化的一种抗争。,热力学第二定律的微观解释,热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。,凡符合热一律的过程-即符合能量守恒的过程是否都能实现呢？,实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的。,热传导过程,例如：气体的绝热自由膨胀过程。,这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。,热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律来解释。,不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。,功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它影响是不可能的。,1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。,1.开尔文表述,以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。,热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但这时引起了其它的变化。,开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性,高温热源T1,=0,第二类永动机（单热机）不能制成。,第二类永动机,高温热源T1,低温热源T2,与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，热量将自动地由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。,如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其它变化。克氏表述指明热传导过程是有方向的。,2、克劳修斯表述,热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。,1.从开尔文表述入手,假定单热机是可以造成的，则,高温源,低温源,Q,3、两种表述是统一的,2.从克劳修斯表述入手,假定热量能自动地从低温源传到高温源，则单热机也能造成。,热力学过程是有方向性的。,2.可逆过程与不可逆过程,为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过程方向性问题，引入可逆过程的概念。,一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原过程对外界引起的一切影响）则原来的过程称为可逆过程；,单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来的位置而周围一切都无变化。,反之，如果物体不能回复到原来状态或当物体回复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原来的过程称为不可逆过程。,无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。,单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。,理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生。,在热现象中，可逆过程只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。,经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。,理想气体热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达到热平衡。从未发现其反过程，使两物体温差增大。,可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小，即等温热传导。,气体的迅速膨胀过程是不可逆的。,但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时，它却是可逆的。,结论：,1）一切自发过程都是不可逆过程。,2）准静态过程（无限缓慢） +无摩擦的过程是可逆过程。,3）一切实际过程都是不可逆过程。,可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到。因为，实际过程都是以有限的速度进行，且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是不可逆的。,可逆过程是理想化的过程。,强调：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。,热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一定的方向进行的，是不可逆的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。,开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。,热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。它所揭示的客观规律向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。,克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。,1.有序和无序,有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。,无序：不符合某种确定规则的称为无序。,无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。,有序和无序是相对的。,2.宏观态和微观态,宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。,微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。,系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性从有序到无序。,3.热力学第二定律的统计意义,不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）,一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色分子，下图是分布情况。,第二定律的统计表述（依然看前例）,4个分子在容器中的分布对应5种宏观态。,17,各种分布的状态总数,分布的可能状态数,分布几率,1/16,4/16,6/16,4/16,1/16,熵与热力学概率 玻耳兹曼关系式, 热力学概率（微观状态数）、 无序度、混乱度.,分布几率,1/16,4/16,6/16,4/16,1/16,“熵”(用S表示)是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。,玻耳兹曼证明了熵S与微观态数目（分布几率）之间的关系，普朗克把它写成,热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。,S=Kln,从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。,在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小,熵增加原理,熵与熵增加原理,对整个宇宙不适用。,平衡态:相应于一定宏观条件下 最大的状态。最平均、最无序、最混乱。,热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。,自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。,4.热力学第二定律的适用范围,一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,1）适用于宏观过程对微观过程不适用，,2）孤立系统有限范围。,可逆过程：熵不变，实际不存在，如等温过程，实际不存在 不可逆过程：熵增加,24,耗 散 结 构,（1）宇宙真的正在走向死亡吗？ 实际宇宙万物，宇宙发展充满了无序到有序的发展变化 .,（2） 生命过程的自组织现象 生物体的生长和物种进化是从无序到有序的发展.,25,（3） 无生命世界的自组织现象 云、雪花、太阳系、化学实验、热对流、激光等.,（和外界有能量交换和物质交换的系统叫开放系统）,（4）开放系统的熵变,开放系统熵的变化,有效能量告罄时，是“热寂”死寂的热平衡状态。 有效物质耗尽时，是一片“物质混乱”整个宇宙的大混乱和大混沌。 物理学家们认为，熵定律是物质世界的最终定律，人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一、第二定律的严密制约；但是，他们又认为熵定律只涉及物质世界，只控制时空的横向世界，人类的精神世界并不受熵定律的专制统治！ 所以，生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流！ 人类精神的无限发展，是不可抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟！,1电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了 A热量能自发地从低温物体传给高温物体 B在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体 C热量的传导过程不具有方向性 D在自发地条件下热量的传导过程具有方向性,BD,2.一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？,解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。,3.下面关于熵的说法错误的是 A熵是物体内分子运动无序程度的量度 B在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行 C热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原理 D熵值越大，代表系统分子运动越无序,精与解 热力学第二定律提示：一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行的。例如，功转变为热是机械能或电能转变为内能的过程是大量分子的有序运动向无序运动转化，气缸内燃气推动活塞做功燃气分子作有序运动，排出气缸后作越来越无序的运动。 物理学中用熵来描述系统大量分子运动的无序性程度。热力学第二定律用熵可表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。,B,4.关于有序和无序下列说法正确的是（ ） A有序和无序不是绝对的 B一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态” C一个“宏观态”对应着唯一的“微观态” D无序意味着各处一样、平均、没有差别,ABD,5.根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（ ） A内能可以自发的转变成机械能 B扩散的过程完全可逆的 C火力发电时，燃烧物质的内能不可以全部转化为电能 D热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体,CD,6.倒一杯热水，然后加入适当的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶，关于这个过程下列叙述正确的是（ ） A溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的 B溶解过程是有序向无序转变的过程 C结晶过程是有序向无序转变的过程 D结晶过程不是自发的，因为有外界的影响,BD,7.下列说法正确的是 ( ) A如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布，则B分布更无序 B如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布，则A分布更无序 C大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是可逆的 D大