热力学第二定律和熵增加原理的形成,热力学论文.docx

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1、热力学第二定律和熵增加原理的形成,热力学论文摘 要： 热力学第二定律也被称为熵增加原理, 是热力学中, 也是物理学中的一个重要的基本规律.基于人教版高中物理中热力学第二定律的内容, 对热力学第二定律的内容和发展建立经过进行探寻求索, 以提供更多的学习材料, 来帮助学生对热力学第二定律有全面的认识, 拓宽学生的视野, 认识物理学规律建立的弯曲复杂经过. 本文关键词语： 热力学第二定律; 熵增加原理; 麦克斯韦妖; 基于人教版(高中物理 选修3-3热力学第二定律的内容, 为了使学生和老师有更多的学习素材, 对热力学第二定律能进一步的认识和学习, 本文对热力学第二定律和熵增加原理的内容和发展建立经过

2、进行探寻求索. 1 热力学第二定律与熵增加原理内容 1.1 热力学第二定律 热力学第二定律是一个比拟特殊定律, 它是反映宏观自然经过的方向性的定律, 也是一个少有的以否认句的形式来表述的定律.它具有两种常见的表述形式, 即:克劳修斯表述和开尔文表述.开尔文实际就是威廉 汤姆孙, 他在热力学方面有很深的研究, 本来有可能成为第一个发现热力学第二定律的, 但是由于遭到 热质讲 的束缚, 没能首先发现.于1850年克劳修斯首先提出: 不能把热从低温物体传给高温物体, 而不引起其他变化. 迟后一年, 于1851年开尔文又提出: 不能从单一热源汲取热量, 使之完全变为有用的功而不引起其他变化 1.华而不

3、实克劳修斯表述讲明热量从低温物体传给高温物体时, 必然会引起其他的变化, 指明了热量不能自发的从低温物体转移到高温物体.开尔文表述有时候也被称为开尔文-普朗克表述, 表示清楚了机械能与内能之间的转化经过当中的方向性问题, 内能不可能完全转化成为机械能, 由于现实的生活中并不存在效率为100%的热机, 内能在转化为机械能时一定会出现热量的耗散问题, 耗散的能量无法回收, 无法再利用, 所以内能无法完全转化为机械能.固然如此, 由以上分析可知, 能量并没有消失, 热力学第二定律并不违犯能量守恒定律. 1.2 熵增加原理 熵的概念广泛地出如今各个领域当中, 信息领域、生物学领域也有熵的概念, 熵不再

4、是物理学的专属概念.然而熵是克劳修斯于1865年提出的用于描绘叙述热力学状态的一个概念, 在人教版高中教学材料(物理 选修3-3中熵的含义能够简单地理解为熵较大的宏观状态无序程度较大, 也就是统计学中出现概率较大的状态, 宏观状态对应着微观状态的数目, 即微观态数.玻尔兹曼给出了熵与微观态数成正比的关系, 即S LnW或S=kLnW (华而不实S是熵, W微观态数, k玻尔兹曼常量) , 此公式也称为熵的玻尔兹曼公式.那么对于自然经过的方向性, 又能够用熵的概念表述成:在任何自然经过中, 一个孤立系统的总熵不会减小.用熵的概念表述热力学第二定律, 熵不会减小, 因而才有一些学者将热力学第二定律

5、又称为熵增加原理.这个原理表示清楚:一个孤立的系统在自发的宏观自然经过中熵是增加的, 但是并不排除在微观个体上出现熵减少的可能. 无论是热力学第二定律的克劳修斯表述, 还是开尔文表述, 以及从熵的概念来描绘叙述的热力学第二定律的内容 (熵增加原理) , 它们都是描绘叙述了自然经过的方向性和不可逆性的. 1.3 熵增加原理的数学表示出 热力学第二定律和熵增加原理都揭示了宏观自然经过的方向性, 但是, 二者也有不同.假如讲前者是对热力学系统中宏观经过的转化方向进行了定性的描绘叙述, 那么后者则是给出了定量描绘叙述.1865年克劳修斯提出了热力学第二定律的另一种表述, 找到了一种数学方式方法来表示可

6、逆与不可逆循环经过中总熵的变化.将TQ称为热温比, Sa, Sb用来表示初、末状态的熵. 进而引出态函数熵.从初状态a到末状态b的任何可逆经过的热温比之和都等于初、末状态的熵的差值 而可逆的准静态元经过的熵变化为 来看, 其积分的不可逆循环经过曲线中, 一定有部分或全部经过是不可逆的非准静态经过, 我们假定这个不可逆循环经过曲线中ab部分为不可逆经过, 而ba为可逆经过.那么, 克劳修斯不等式能够详细的写成 图1 不可逆循环经过 不可逆经过热温比之和遵循这个表示出式, 任何不可逆经过的热温比之和都会比初、末状态的熵差小.假如把熵的定义式 与上式综合起来, 则任何一个经过都知足 那么, 能够讲是

7、不可逆经过的热温比之和始终比初、末状态熵差小, 可逆经过的热温比之和始终与初、末状态的熵差相等.对于绝热经过 (dQ=0) 表示清楚绝热经过熵是不可能减少. 由此来讲, 对于不能同外界进行物质和能量交换的孤立系统来讲, 自然同外界绝热, 所以讲孤立系统内发生的一切热经过都不会使系统内的熵减小.或者讲孤立系统内的可逆经过不改变系统的熵, 不可逆经过使系统内的熵增加, 然而自然界发生的热经过都是不可逆的, 所以能够得到结论:孤立系统内发生的一切实际热经过都是使系统的熵增加的经过, 即熵增加原理2. 2 热力学第二定律的质疑 热力学第二定律与热力学第一定律一起组成了热力学的基础, 使热力学建立起了完

8、好的理论体系, 并成为了物理学的重要组成部分.任何一个理论的建立都不是一帆风顺的, 它也经受过很屡次的质疑和错误的应用.热力学第二定律能够讲是一个描绘叙述比拟 狡猾 和 小心翼翼 的定律.华而不实的 其他变化 并没有指明是什么变化, 一个孤立系统 把该定律的使用条件限定在了一个特定的范围之内, 但是, 诸多人在对热力学第二定律的研究经过中也提出过质疑, 也给它出了难题. 2.1 麦克斯韦 妖 麦克斯韦 妖 是一个形象而有趣的小妖怪, 它没有很高的本领, 不是像神话片里那样呼风唤雨、上天入地、法力无边的灵怪, 只是它具有非凡的分辨能力.实际上这是麦克斯韦在研究热力学第二定律的时候进行的理想实验中

9、假想的一个角色, 但是却是一个深切进入人心的角色.当时在研究热力学第二定律的时候, 麦克斯韦提出了这样一个反例, 用一块隔板把一个装满气体的箱子分成A和B两个部分, 隔板上有一个可开启的小孔, 能够通过分子.麦克斯韦设想了一个能够分辨分子运动的小妖怪, 让它站在小孔旁边操作开关, 当A中有速度快的分子飞来时, 就关闭小孔不让通过, 同时, 对于从B飞来的速度快的分子不让通过, 而慢速的分子飞来时打开小孔让其通过飞往A, 这样A中的分子平均动能减少, B中分子平均动能增加.由于温度是分子平均动能的标志, 这样做的结果使本来等温的A和B两部分逐步出现温度差, 而且温差会越来越大.于是违犯热力学第二

10、定律的事情发生了:内能从低温部分A流向了高温部分B, 而且伴随这一现象并没有做功, 只要这个小妖精指挥的作用.那么这个理想实验能否就真的违犯了热力学第二定律呢? 对于这个理想实验的解释最有讲服力的应该属于 信息论 的解释.事实, 麦克斯韦妖使内能从低温物体A流向了高温物体B, 这是一个熵减少的经过, 然而麦克斯韦 妖 要做到这个, 他需要识别分子的速度, 就要用光照射分子, 光反射回眼睛, 在进入大脑进行分析判定, 大脑再指挥手去开关小孔, 这伴随着热产生的做功经过是一个熵增加的不可逆经过, 这两个经过的总效果是一个熵增加的经过, 那么对于这个实验的系统而言这是一个熵增加的经过3, 也就是讲这

11、个小妖精即使真的存在也不违犯热力学第二定律. 2.2 热寂讲 热寂讲 是克劳修斯在晚年的时候提出的.克劳修斯的熵增加原理是在孤立系统的环境下成立的一个原理, 揭示了自然经过是向着熵增加的方向进行的, 并且是不可逆的.但是, 他却将该原理推广到整个宇宙, 得出了宇宙的 热寂讲 .克劳修斯在1865年的演讲中, 把熵增加原理应用到了整个宇宙当中, 得出了 宇宙的熵趋于一个极大值 的结论.接着在1867年的演讲中指出:宇宙的熵越接近其熵的极大值的极限状态, 它继续发生变化的几率就会越少, 若是宇宙完全到达了这样的状态, 它就不会再出现进一步的发展变化, 宇宙便处在一个静止的永远恒久状态. 热寂讲的提

12、出遭到了不少科学家的指责和批评, 他们以为地球上通过实验得到的规律推广到无限、开放的宇宙中是不可取的, 犯了形而上学上的错误.后继的科学发展也提供了大量的事实证明宇宙演变的经过并不遵循这一结论4. 热寂讲 研究对象并不符合热力学第二定律的使用条件, 用它得出的这个结论也必然是错误的, 世界是一个开放的系统, 宇宙更是一个无限大的开放系统, 它们是在不断的发展、运动和变化着的.错误的结论自然也不能否认热力学第二定律. 2.3 生物进化 熵增加原理以为一个孤立的系统变化将向着熵增加的方向发展, 也就是事物的发展从有序向着无序的方向发展.但是达尔文的生物进化论却以为地球上的生物物种从少到多, 从简单

13、到复杂, 呈现从无序到有序的进化趋势.熵增加原理与生物进化论都是在实际规律中总结出来的科学规律, 都是可信的, 那么二者是不是互相违犯呢?1977年诺贝尔化学奖获得者普里高津提出的耗散构造理论能够给出解释.根据耗散构造理论, 一个系统的熵由两部分组成, 其一是系统本身因不可逆经过引起的熵 (dis) , 永远是正的, 其二是系统与环境交换物质和能量引起的熵 (dcs) , 它可正可负.所以系统熵的变化dS=dis+dcs也就是可正可负的.对于孤立系统而言, 由于没有与外界能量物质的交换, dc=0, 则dS=dis 0, 因此熵总是增加的, 由有序走向无序;而对于开放的生物系统而言, 存在与外

14、界环境的物质与能量的交换, 只要从环境中流入的负熵足以抵消系统本身的熵的增加, 就能够使系统的总熵减少, 进而从无序向着有序发展进化.生物进化与熵增也并不矛盾, 生物是不断成长的, 不断的与周围的环境发生物质和能量的交换, 因而不能对热力学第二定律提出否认5. 3 结束语 熵增加原理是在科学家们的质疑和论证中建立起来的, 并且也经受住了质疑和考验.理论上, 热力学第二定律和熵增加原理都指明了自然界中宏观的自然现象的变化的方向问题.只是熵增加原理是从微观的角度提出熵的概念来描绘叙述热力学第二定律所表现的宏观状态, 并且给出了定量的数学关系.从发展建立的经过来看, 热力学第二定律也同其他理论一样, 在困难的环境中发展进步, 在质疑和论证中建立和完善.我们的学生也应该像科学家一样, 勇于对一些观点提出质疑, 擅长考虑, 勤于探寻求索. 以下为参考文献： 1王楚, 李椿, 徐安士.热学.北京:北京大学出版社, 2000.132 2张玉民.热学.北京:科学出版社, 2006.103104 3仲扣庄.物理学史教程.南京:南京师范大学出版社, 2018.117118 4郭奕玲, 沈慧君.物理学史 (第2版) .北京:清华大学出版社, 2005.6566 5颜振珏.物理学史新编.贵阳:贵州科技出版社, 2002.82