热力学第二定律的统计解释.ppt

熵和熵增加原理的微观意义熵和熵增加原理的微观意义113-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 热力学第热力学第二二定律的定律的实质实质:自然界一自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的逆的.一一 不可逆与无序不可逆与无序 不不可可逆逆性性的的微微观观本本质质：一一切切自自然然过过程程总总是是沿沿着着分分子子热热运运动动的的无无序序性性增增大大的的方方向向进行。进行。213-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础功功热热自发转化为自发转化为为化转发自为化转发自能不能不自发转化为自发转化为为化转发自为化转发自能不能不大量分子的大量分子的有序运动有序运动大量分子的大量分子的无序运动无序运动方向：向更加无序状态方向自发进行方向：向更加无序状态方向自发进行热功转换热功转换313-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础初态（两个温度初态（两个温度不同的系统）不同的系统）热传导热传导末态（温度相同末态（温度相同的系统）的系统）温度是分子无序运动平温度是分子无序运动平温度是分子无序运动平温度是分子无序运动平均动能大小的量度均动能大小的量度均动能大小的量度均动能大小的量度 初态（两个系统平初态（两个系统平均动能不同，分子运均动能不同，分子运动无序，但仍可区分）动无序，但仍可区分）末态（两个系统平末态（两个系统平均动能均动能相同相同，分子运，分子运动无序，也不可区分，动无序，也不可区分，即更加无序）即更加无序）方向：向无序性增大的方向自发进行方向：向无序性增大的方向自发进行413-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础气体绝热自由膨胀气体绝热自由膨胀位置的分位置的分布较有序布较有序更无序更无序气体体积气体体积V1自由膨胀为自由膨胀为气体体积气体体积V2不能自由压缩为不能自由压缩为方向：向更加无序的状态方向自发进行方向：向更加无序的状态方向自发进行513-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础如何如何定量的定量的描述无序度？描述无序度？一切自然过程总是沿着分子热运动的无序一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。性增大的方向进行。不可逆过程的微观本质：不可逆过程的微观本质：热力学第二定律只适用于大量分子的体系热力学第二定律只适用于大量分子的体系 注意注意613-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础二二 无序度与热力学概率无序度与热力学概率1.宏观状态数和微观状态数宏观状态数和微观状态数 玻玻耳耳兹兹曼曼认认为为：从从微微观观上上看看，对对于于一一个个系系统统的的状状态态的的宏宏观观描描述述是是非非常常不不完完善善的的，系系统统的的同同一一个个宏宏观观状状态态实实际际上上可可能能对对应应于于非非常常非非常常多多的的微微观观状状态态，而而这这些些微微观观状状态态是是粗粗略略的的宏宏观观描描述述所所不不能能加加以以区区别别的。的。713-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础微观状态：微观状态：微观上看，对系统内的个体加以微观上看，对系统内的个体加以区分的状态区分的状态宏观状态：宏观状态：从总体上观察，而对系统个体不从总体上观察，而对系统个体不予区分的状态予区分的状态813-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 4 4个个可分辨的可分辨的粒子在容器中的位置分布粒子在容器中的位置分布 宏宏观观状状态态（分配种（分配种类类）AB ABABABAB微微观观状状态态（分子分布（分子分布方式）方式）abcdabcbcdcdadab d a b c ab ac ad bc bd cd cd bd bc ad acababcdbcdcdadababcabcd一个宏一个宏观态观态对应对应的微的微观观状状态态数数W 1 4 6 4 1abcdAB913-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础01234564个粒子的分布个粒子的分布左左4，右，右0左左3，右，右1左左2，右，右2左左1，右，右3左左0，右，右41013-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础1113-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础宏观态宏观态微观态数微观态数(w)左左20；右右01左左18；右右2190左左15；右右515504左左11；右右9167960左左10；右右10184756左左 9；右右11167960左左 5；右右1515504左左 2；右右18190左左 0；右右201N=20,N=20,宏观态所宏观态所对应的微观态数对应的微观态数 左左20右右0和左和左0右右20两种宏观状态各有两种宏观状态各有1个微观状态个微观状态，表明表明20个分子全部处于个分子全部处于左左(或或右右)中的概率最小为中的概率最小为1213-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础1313-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础N=1023个个可分辨的可分辨的粒子在容器中的位置分布粒子在容器中的位置分布wN/2nnN=1023 N n 粒子数粒子数分布均匀的宏观态分布均匀的宏观态所对应的所对应的微观微观态的数目最多态的数目最多，其比例几乎是所有可能的微，其比例几乎是所有可能的微观态数的百分之百。观态数的百分之百。1413-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础1.若对热力学系统进行观察，我们看到的将总是粒若对热力学系统进行观察，我们看到的将总是粒子数分布均匀的宏观态子数分布均匀的宏观态2.粒子数分布均匀的宏观态对应于热力学中的粒子数分布均匀的宏观态对应于热力学中的平衡平衡态态对应对应微观状态数目多微观状态数目多的宏观状态出现的的宏观状态出现的概率大概率大2.微观状态数与热力学概率微观状态数与热力学概率 某一宏观状态所对应的微观状态数目称为某一宏观状态所对应的微观状态数目称为该宏观状态的该宏观状态的热力学概率热力学概率，用，用W表示。表示。平衡态平衡态 热力学概率热力学概率W 取最大值的宏观态取最大值的宏观态1513-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础3.无序度和热力学概率无序度和热力学概率 粒子数分布均匀的或近似均匀的宏观状态粒子数分布均匀的或近似均匀的宏观状态就是比较混乱或无序的状态。就是比较混乱或无序的状态。一个宏观态的热力学概率就是无序度的量度一个宏观态的热力学概率就是无序度的量度因此：因此：1613-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础自自发发地地出现概率小的状态出现概率小的状态微观状态数少的状态微观状态数少的状态无序程度低的状态无序程度低的状态出现概率大的状态出现概率大的状态微观状态数多的状态微观状态数多的状态无序程度高的状态无序程度高的状态孤孤立立系系统统总结：总结：1713-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 孤立系统内部所发生的过程总是从包含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，从热力学概率小的状态向热力学观态过渡，从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡。概率大的状态过渡。它它涉及大量分子涉及大量分子的运动的无序性变化的运动的无序性变化的规律，的规律，热力学第二定律是一条统计规律。热力学第二定律是一条统计规律。4 热力学第二定律的统计表述热力学第二定律的统计表述1813-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 1877年年，玻玻耳耳兹兹曼曼引引入入熵熵(Entropy)，表表示示系系统无序性的大小统无序性的大小S lnW 1900年年，普普朗朗克克引引入入系数系数 k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数玻耳兹曼熵公式：玻耳兹曼熵公式：S=k lnW1913-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 （2）熵是孤立系统的无序度的量度熵是孤立系统的无序度的量度.（平（平衡态熵最大衡态熵最大.）（）（W 愈大，愈大，S 愈高，系统有愈高，系统有序度愈差序度愈差.）（1）熵的概念建立，使热力学第二定律熵的概念建立，使热力学第二定律得到统一的定量的表述得到统一的定量的表述.2013-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础（3）熵增加原理熵增加原理 若一个系统的热力学概率由若一个系统的热力学概率由W1变至变至W2，系，系统熵的增量为：统熵的增量为：孤立系统熵增加过程是系统热力学概率增大孤立系统熵增加过程是系统热力学概率增大的过程（即无序度增大的过程），是系统从非平的过程（即无序度增大的过程），是系统从非平衡态趋于平衡态的过程，是一个不可逆过程。衡态趋于平衡态的过程，是一个不可逆过程。2113-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础关于热寂说关于热寂说 所谓所谓“热寂说热寂说”：如果将整个宇宙看如果将整个宇宙看成一个孤立的系统，那么由于孤立系统的一成一个孤立的系统，那么由于孤立系统的一切自发过程都是熵增的，一直到达熵值极大，切自发过程都是熵增的，一直到达熵值极大，这时整个宇宙就趋于热平衡而进入热寂，即这时整个宇宙就趋于热平衡而进入热寂，即整个宇宙的热运动停止了。整个宇宙的热运动停止了。表明整个宇宙好像是表明整个宇宙好像是“一潭死水一潭死水”2213-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 对于对于“热寂热寂“的批判，以前都是建立在的批判，以前都是建立在静态宇宙模型上的，因此这种批判是感情色静态宇宙模型上的，因此这种批判是感情色彩多于理性思考。彩多于理性思考。现在的宇宙理论是动态的，即宇宙是处现在的宇宙理论是动态的，即宇宙是处在远离平衡态的，且在宇宙中万有引力扮演在远离平衡态的，且在宇宙中万有引力扮演着重要角色，因此将平衡态热力学定律直接着重要角色，因此将平衡态热力学定律直接应用于宇宙的演化上肯定是不妥的。应用于宇宙的演化上肯定是不妥的。2313-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 人们发现无机界、无生命的世界总人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现象却越是从有序向无序变化，但生命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进来越有序，生物由低级向高级发展、进化。以致出现人类这样高度有序的生物。化。以致出现人类这样高度有序的生物。意大利科学家普里高津提出了耗散结构意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释了这个问题。理论，解释了这个问题。原来生命是一原来生命是一开放系统开放系统。其熵变由两。其熵变由两部分组成。部分组成。2413-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 （和外界有能量交换和物质交换的系（和外界有能量交换和物质交换的系统叫开放系统）统叫开放系统）开放系统的熵变开放系统的熵变开放系统熵的变化开放系统熵的变化系统与外界交换能量或物质而引系统与外界交换能量或物质而引起的熵流，可正可负起的熵流，可正可负系统内部不可逆过程所产生的熵系统内部不可逆过程所产生的熵增加增加2513-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础孤立系统孤立系统开放系统开放系统开放系统熵的变化开放系统熵的变化 系统的熵变系统的熵变dS0，系统的有序度增加，系统的有序度增加，系统就可能进化。系统就可能进化。2613-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础 从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层次保持有序。正象薛定谔指出：次保持有序。正象薛定谔指出：生命之所以免于死亡，其主要原因就在于生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不断地获得负熵他能不断地获得负熵”。-薛定谔薛定谔-2713-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础总结：总结：热力学第二定律热力学第二定律开尔文表述开尔文表述克劳修斯表述克劳修斯表述一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的自发过程的方向自发过程的方向微观粒子热运动无序度小微观粒子热运动无序度小微观粒子热运动无序度大微观粒子热运动无序度大包含微观状态数少的态包含微观状态数少的态包含微观状态数多的态包含微观状态数多的态热力学概率小的态热力学概率小的态热力学概率大的态热力学概率大的态 孤立系统的熵小孤立系统的熵小孤立系统的熵大孤立系统的熵大2813-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础热热力力学学基基础础热力学第一定律热力学第一定律 Q=E+W在等值过程中的应用在等值过程中的应用循环过程循环过程卡诺循环卡诺循环热力学第二定律热力学第二定律自然界与热现象自然界与热现象有关的宏观过程有关的宏观过程都是不可逆的都是不可逆的2913-8 13-8 热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释物理学物理学第五版第五版第十三章第十三章 热力学基础热力学基础作业：作业：习题：习题：P258 13-24，13-25预习：预习：14-1，14-2，14-3，14-430