热学起源2.ppt

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1、同学们好同学们好！第二讲：热学起源第二讲：热学起源热现象的微观理论 能量能量是一种守恒的东西，是一种守恒的东西，既不能从虚无中创生又不能被既不能从虚无中创生又不能被消灭，而只能从一种形式转化消灭，而只能从一种形式转化为另一种形式。为另一种形式。如何理解能源危机如何理解能源危机?热力学第二定律的物理意义热力学第二定律的物理意义熵概念的诞生之所以重要，就在于可以将热力学熵概念的诞生之所以重要，就在于可以将热力学第二定律以定量的形式表述出来。即：在孤立系第二定律以定量的形式表述出来。即：在孤立系统中，任何变化不可能导致熵的总值减少，统中，任何变化不可能导致熵的总值减少，一个物理量的物理意义，就是要指

2、出该物理量独一个物理量的物理意义，就是要指出该物理量独特地反映了物质运动的哪方面性质或规律。特地反映了物质运动的哪方面性质或规律。熵在孤立系统内的变化规律只能沿熵增加的方向进行，熵在孤立系统内的变化规律只能沿熵增加的方向进行，反映了孤立系统内经历的过程（自发过程）具有方向性反映了孤立系统内经历的过程（自发过程）具有方向性孤立系统愈接近平衡态，熵的数值愈大，熵在孤立系统孤立系统愈接近平衡态，熵的数值愈大，熵在孤立系统内的数值大小反映了孤立系统接近平衡态的程度内的数值大小反映了孤立系统接近平衡态的程度推论：孤立系统内的熵增是反映能够转变为功的能量多少推论：孤立系统内的熵增是反映能够转变为功的能量多

3、少的量度的量度天道盈亏天道盈亏熵增加能贬值熵增加能贬值高高 温温 T1低低 温温 T2Q2 Q1A可逆可逆Q1、Q2 取绝对值取绝对值效率：效率：产生的机械功：产生的机械功：热量中不可用部分：热量中不可用部分：效率：效率：产生的机械功：产生的机械功：热量中不可用部分：热量中不可用部分：高高 温温 T3低低 温温 T2Q2 Q1A可逆可逆Q1、Q2 取绝对值取绝对值高高 温温 T1Q1热量中不可用部分增量：热量中不可用部分增量：温度为温度为T1与与T3两个物体所构成系统的熵的增量：两个物体所构成系统的熵的增量：熵增加导致了能量的贬值熵增加导致了能量的贬值 因此，某些形式的能量要比另一种形因此，某

4、些形式的能量要比另一种形式的更有用。它们的有用程度乃是其存在式的更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有序性的某种度量：越无序者越无形式之有序性的某种度量：越无序者越无用。这种无序性称为用。这种无序性称为 。这是一个和。这是一个和能量转换相关的热力学广延量。这是一个能量转换相关的热力学广延量。这是一个意义深远的物理量。意义深远的物理量。熵在自然过程中似乎永远在增加。熵在自然过程中似乎永远在增加。I am better than you!能量的品质：逐步降级能量的品质：逐步降级热力学第二定律告诉我们，热能不如别的形式的能量有热力学第二定律告诉我们，热能不如别的形式的能量有用，如飞行的子弹和高举的

5、石头能够将动能和势能全部用，如飞行的子弹和高举的石头能够将动能和势能全部变为功，而热能只能部分变为功。变为功，而热能只能部分变为功。例：单摆，空气阻力使摆球逐渐停下来，但是整个系统例：单摆，空气阻力使摆球逐渐停下来，但是整个系统（单摆和周围的空气）没有损失任何能量，但是这一过（单摆和周围的空气）没有损失任何能量，但是这一过程产生了热能，这个系统不能恢复其初始状态。能量没程产生了热能，这个系统不能恢复其初始状态。能量没有丢失，但是能量的品质降低了。有丢失，但是能量的品质降低了。热学两大定律告诉我们，能量的数量是守恒的，能量的品热学两大定律告诉我们，能量的数量是守恒的，能量的品质不断降低。质不断降

6、低。能源动力系统的基础性研究第一代第一代:热力学第一定律为基础热力学第一定律为基础,热机利用能量做功热机利用能量做功,追求能追求能量利用率量利用率,不考虑总能中有多少用来对外做功不考虑总能中有多少用来对外做功.第二代第二代:热力学第二定律为基础热力学第二定律为基础,提出能量品质的新概念提出能量品质的新概念.热热能是一种低品质的能量能是一种低品质的能量.温度不同的热能温度不同的热能,温度越低温度越低,品质越品质越低低.第三代第三代:从全球环境问题和能量可持续出发从全球环境问题和能量可持续出发,与高效与高效,洁净洁净,安安全运行紧密结合全运行紧密结合,全面发展总能的概念全面发展总能的概念,发明新的

7、动力循环发明新的动力循环和总能系统和总能系统,研究它需要多学科的交叉研究它需要多学科的交叉.从微观的角度来看热现象从微观的角度来看热现象物质结构的基本图象物质结构的基本图象物质是由分子、原子等微观粒子组成物质是由分子、原子等微观粒子组成物质分子处于不停顿的无规则运动状态物质分子处于不停顿的无规则运动状态分子之间有相互作用分子之间有相互作用分子分子 原子原子 电子电子 原子核原子核 质子质子 中中子子 夸克夸克引力引力 斥力斥力布朗运动布朗运动布朗运动布朗运动气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点1.1.宏观物体由大量分子、原子构成，宏观物体由大量分子、原子构成，有一定的间隙；有一定的间隙；2

8、.2.分子永不停息地作无规则运动分子永不停息地作无规则运动 热运动热运动3.3.分子间有一定相互作用力。分子间有一定相互作用力。分子间分子间困难：如何求解数量级达困难：如何求解数量级达1023个力学方程个力学方程解决：统计方法解决：统计方法物质由大量的微观粒子组成，微观粒子都处在永物质由大量的微观粒子组成，微观粒子都处在永不停息的无规则的热运动之中不停息的无规则的热运动之中.单个粒子单个粒子力学规律，力学规律，大量粒子的无规则热运动大量粒子的无规则热运动统计规律统计规律.统计规律性的基本概念统计规律性的基本概念统计规律统计规律伽尔顿板伽尔顿板.宏观量是相应微观量的统计平均值宏观量是相应微观量的

9、统计平均值 气体压强公式气体压强公式T是大量分子热运动平均是大量分子热运动平均平动平动动能的量度。动能的量度。由此给出温度的统计意义：由此给出温度的统计意义：热力学概率热力学概率 自发过程的方向性从微观上看是大量分子无规运动的结果。自发过程的方向性从微观上看是大量分子无规运动的结果。a ab bc cd d左左 右右 分子数的左右分布称为分子数的左右分布称为宏观态。宏观态。具体分子的左右具体分子的左右分布称为分布称为微微观态。观态。统计理论的基本假设是：统计理论的基本假设是：以气体自由膨胀为例分析。以气体自由膨胀为例分析。某宏观态所包含的微观态数某宏观态所包含的微观态数 叫该宏观态的叫该宏观态

10、的热力学概率。热力学概率。对于孤对于孤立系统，各个立系统，各个微观态微观态出现的概率是相同的。出现的概率是相同的。热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释宏观态宏观态微观态微观态宏观态包括的微观态数宏观态包括的微观态数i概率概率abcd4 04 0abcda b cda b dca c dbb c da 3 1a b cdca b da c dbb c da 3 122a bc dc da ba cb da cb da db cb ca d0 01 12 23 34 45 56 6 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 4N 若

11、若N=100，自动收缩（左自动收缩（左100，右，右0）N个分子，个分子，。若改变一次微观状态历时若改变一次微观状态历时10-9s，则所有微观状态则所有微观状态都经历一遍要都经历一遍要 。即即30万亿年中万亿年中（100，0）的状态的状态只闪现只闪现10-9s。的概率为的概率为10-30。则：则：一般热力学系统一般热力学系统 N的数量级约为的数量级约为1023，(N左左)N 很大很大 N/2N左左而左右各半的而左右各半的平衡态及其附近宏观态平衡态及其附近宏观态的的热力热力学概率学概率则占总微观状态数的则占总微观状态数的绝大比例。绝大比例。上述上述比例实际上是百分之百。比例实际上是百分之百。玻耳

12、兹曼熵公式玻耳兹曼熵公式该公式是物理学中最重要的公式之一。该公式是物理学中最重要的公式之一。1877年玻耳兹曼提出了年玻耳兹曼提出了S ln 。1900年普朗克引进了比例系数年普朗克引进了比例系数 k。进一步理解：引入有序量和无序量进一步理解：引入有序量和无序量通常说熵高，意味着通常说熵高，意味着“混乱混乱”和和“分散分散”：熵低意味着熵低意味着“整齐整齐”和和“集中集中”，前者叫无，前者叫无序，后者叫有序序，后者叫有序.系统的宏观态包含的微观系统的宏观态包含的微观态数越多态数越多,越无序越无序.理论物理学家索末菲的一段感言玻耳兹曼与奥斯特瓦尔德之争仿佛是一头雄牛与灵巧剑手之间的一场决斗。但是

13、这一次，尽管剑手的技艺高超，最后还是雄牛压倒了斗牛士。玻耳兹曼的论点赢得了胜利。我们这些年轻的数学家都站在他这一边二派之争论以二派之争论以19061906年玻耳兹曼自杀于海边小城年玻耳兹曼自杀于海边小城杜伊诺而结束杜伊诺而结束墓碑上的公式我们知道，某些形式的能量要比另一种形我们知道，某些形式的能量要比另一种形式的更有用。它们的有用程度乃是其存在式的更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有序性的某种度量：越无序者越无形式之有序性的某种度量：越无序者越无用。这种无序性称为用。这种无序性称为 。熵在自然过程中似乎永远在增加。熵在自然过程中似乎永远在增加。I am better than you!熵的

14、启示熵的启示 玻耳兹曼熵公式玻耳兹曼熵公式告诉我们：在孤立的热力学系统中，熵高，意告诉我们：在孤立的热力学系统中，熵高，意味着味着“混乱混乱”和和“分散分散”：熵低意味着：熵低意味着“整齐整齐”和和“集中集中”，在物理上前者叫无序，后者叫，在物理上前者叫无序，后者叫有序有序热力学第二定律断言：能量趋于退化，结构趋热力学第二定律断言：能量趋于退化，结构趋于解离，万物趋于衰亡的不可逆过程，即万物于解离，万物趋于衰亡的不可逆过程，即万物都要从有序向无序演化、发展都要从有序向无序演化、发展 克劳修斯克劳修斯于于1850年年提出热力学第二定律：提出热力学第二定律：整整个系统的熵永不少个系统的熵永不少。此

15、此外，他还引入宇宙外，他还引入宇宙“热寂热寂”的概念，即的概念，即宇宙作为包宇宙作为包含一切时间与空间的孤立含一切时间与空间的孤立系统，其熵总是在逐渐地系统，其熵总是在逐渐地增大，直至达到其可能的增大，直至达到其可能的最大值。最大值。所以在未来，所以在未来，“宇宙将处于某种一成不宇宙将处于某种一成不变的死寂状态变的死寂状态”。此后，此后，将不可能再发生任何变化。将不可能再发生任何变化。Oh my God!宇宙正走向死亡。宇宙正走向死亡。最终，最终，由于宇宙达到热平衡，万事万由于宇宙达到热平衡，万事万物似乎都将变得极端乏味地出物似乎都将变得极端乏味地出于某种全然无结构的状态中，于某种全然无结构的

16、状态中，成了一片均匀的热辐射成了一片均匀的热辐射“海海”。在这种状态下，在这种状态下，宇宙的能量最宇宙的能量最终都将以最无用形式存在。终都将以最无用形式存在。不不存在恒星行星，也不存在生命：存在恒星行星，也不存在生命：有的仅仅是随着膨胀的积蓄，有的仅仅是随着膨胀的积蓄，热辐射变得越来越冷。这就是热辐射变得越来越冷。这就是著名的著名的“热寂”之说困扰了物理学界甚至整个科学界，引起震惊、关注、争论延续一个多世纪。“热寂”是属于科学上无法用观察和验证做出最后判决的学术问题。“热寂”展示了一幅平淡、无差别，死气沉沉的宇宙图像，但实际展示在人们眼前的宇宙图像是一幅丰富多彩、千差万别、生机盎然的。“热寂”

17、成为宇宙之谜，如何解迷？玻耳兹曼提出的所谓涨落的说法。地球处于偏离平衡态的一个涨落状态。朗道提出考虑宇宙的大区域时，引力场起了重要的作用。即引力对热力学的影响相当于使系统受外界的干扰，从而远离平衡态现代天文学所揭示的宇宙演化图像20世纪20年代，美国天文学家哈勃发现银河系以外的遥远星系都做远离地球的运动，宇宙是膨胀的。1964年贝尔实验室彭齐亚斯和威尔逊用最灵敏的微波天线观察到宇宙中存在3K的黑体辐射背景，表明宇宙中存在趋向热平衡的倾向。现代宇宙学家们开始认现代宇宙学家们开始认识到，识到，并不应该预期永远膨并不应该预期永远膨胀的宇宙在未来会因熵达到胀的宇宙在未来会因熵达到某种极大值而发生传统观

18、念某种极大值而发生传统观念中的热寂。中的热寂。虽然整个宇宙的虽然整个宇宙的熵将会不断增加，但是在任熵将会不断增加，但是在任何特定时刻，宇宙可以具有何特定时刻，宇宙可以具有的的最大熵值最大熵值却增加得更快。却增加得更快。于是，宇宙可能具有的最大于是，宇宙可能具有的最大熵值与实际熵值之差就会越熵值与实际熵值之差就会越来越大。宇宙离开完全热平来越大。宇宙离开完全热平衡的衡的“死寂死寂”状态实际上是状态实际上是变得越来越远了。变得越来越远了。:)19世纪英国诗人雪莱世界的伟大时代重新开始，黄金一样的岁月再度光临大地脱去冬季穿戴的衣服宛若灵蛇蜕皮而焕然一新。2020世纪美国艾略特世纪美国艾略特世界就如此

19、告终，世界就如此告终，世界就如此告终，世界就如此告终，世界就如此告终，世界就如此告终，非砰然巨响，乃非砰然巨响，乃唏嘘饮泣。唏嘘饮泣。凡我们不可言说的东西，我们必须保持沉默。凡我们不可言说的东西，我们必须保持沉默。维特根斯坦维特根斯坦生命是什么“一个生命有机体，在不断地增加着它的熵你或者可以说是在增加正熵并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡，要摆脱死亡，唯一的办法就是从环境里不断汲取负熵，我们马上就会明白负熵是十分积极的东西，有机体就是赖负熵为生的。”薛定谔生命是什么生命从无序的海洋中吸取有序，而将有序集中于自身，即，在非平衡条件下，熵流会产生有序和组织，进而产生生命。生命是远离平衡的开

20、放系统，这种系统可能建立一种定态，且不断地由一个定态，经历若干亚稳态，跃迁到另一个新的定态。生物体系的空间有序和时间有序皆源于此过程。麦克斯韦在讨论热力学第二定律的正确性时也指出了局限性，麦克斯韦在讨论热力学第二定律的正确性时也指出了局限性，1871年在年在热的原理热的原理一书中提出了一个形象实验模型：封闭容器充满一书中提出了一个形象实验模型：封闭容器充满了温度为了温度为T的气体，分为的气体，分为A、B两部分，分界面上有个小孔，今有一两部分，分界面上有个小孔，今有一能识别单个分子能力的假想物，打开或关闭分界面上的小孔，使快能识别单个分子能力的假想物，打开或关闭分界面上的小孔，使快速分子从速分子

21、从A-B，慢速分子从，慢速分子从B-A，其结果是分子平均速率，其结果是分子平均速率A室低于室低于B室，因而室，因而TA TB。封闭系统从无序变得有序，总熵降低，按平衡。封闭系统从无序变得有序，总熵降低，按平衡态热力学观点显然是违法热力学第二定律的，所以称具有识别能力态热力学观点显然是违法热力学第二定律的，所以称具有识别能力的假想物为的假想物为”麦克斯韦妖麦克斯韦妖“。麦克斯韦妖麦克斯韦妖熵的关系：麦克斯韦妖熵的关系：SzilardSzilard强调，这个妖具有获得信息、存储强调，这个妖具有获得信息、存储信息和运用信息的功能。信息和运用信息的功能。Brillouin LBrillouin L提出

22、，信息应是熵的负值，提出，信息应是熵的负值，信息是负熵，信息的失去为负熵的增加所补偿，麦克斯韦妖将负信息是负熵，信息的失去为负熵的增加所补偿，麦克斯韦妖将负熵输入给体系，降低了体系的熵，而麦克斯韦妖为能获取信息，熵输入给体系，降低了体系的熵，而麦克斯韦妖为能获取信息，必须有一个温度与环境不同的微型光源去照射分子，消耗的能量必须有一个温度与环境不同的微型光源去照射分子，消耗的能量产生额外的熵，以补偿体系的熵的减少。所以，即使真有麦克斯产生额外的熵，以补偿体系的熵的减少。所以，即使真有麦克斯韦妖存在，也不违反热力学第二定律。韦妖存在，也不违反热力学第二定律。作业：我眼中的熵（不限字数，两个星期后交）