热力学第二定律与熵.doc

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1、第五章 热力学第二定律与熵(the Second Law of Thermodynamics and entropy)5.1 热力学第二定律(the Second Law of Thermodynamics)教学设计一、教学内容与目的教学内容：1、热力学第二定律的根本表述2、热力学第二定律与热力学第一定律的比较 3、两种表述等效性的证明 教学目的：1、引导学生感悟物理学家成功的科学思维方法，培养科学思维能力2、深化对内能概念的理解3、培养利用热力学第二定律这一宏观物理规律的抽象表述对过程进行方向与限度做出判断分析的能力4、在联系、比较、综合中开拓知识面，培养综合知识、整合知识能力5、渗透交叉学

2、科物理美学思想，引导学生挖掘热力学第二定律蕴涵的美学思想，培养创新思维能力6、培养逆向思维能力7、培养论文写作能力二、教学要求1、熟练掌握热力学第二定律的两种根本表述2、掌握两种表述等效性的证明方法三、教学方法1、研究型教学法2、师生互动教学法3、多媒体辅助教学法四、培养创新思维能力的知识载体，研究性课题热力学第二定律的非对称性五、培养综合分析论述能力的知识载体，研究性学习课题1、克劳修斯对建立热力学第二定律所做出的奉献2、开尔文对建立热力学第二定律所做出的奉献3、热力学第二定律的建立及其革命意义4、比较热力学第一定律与热力学第二定律六、课程论文题目1、热力学第二定律的非对称性2、克劳修斯与热

3、力学第二定律3、开尔文与热力学第二定律4、热力学第一定律与热力学第二定律的比较5、热力学第二定律的建立6、热力学第二定律的建立及其现实意义7、热力学第二定律的建立及其开展8、热学中的对称性与非对称性9、开尔文的科学思维方法10、克劳修斯的科学思维方法七、教学重点、难点1、重点：克氏表述、开氏表述2、难点：两种表述等效性的证明 5.1 热力学第二定律(the Second Law of Thermodynamics)一、热力学第二定律的根本表述 (the Basic Statement of the Second Law of Thermodynamics)1、热力学第二定律的开尔文表述(Kel

4、vin Statement of the Thermodynamics Second Law)热机的效率理想热机但实践说明： 开尔文表述：不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功而不产生其它影响。第二类永动机是不可能造成的。实质：热功转换过程具有方向性。 热力学第二定律的开尔文表述指出了系统的内能与其它形式能量之间的区别。2、热力学第二定律的克劳修斯表述(Clausius Statement of the Thermodynamics Second Law)致冷机的致冷系数但实践说明：克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传向高温物体而不产生其它影响。实质：热传导过程具有方向性。二、热力学第二定

5、律与热力学第一定律的比较(Compare the Second Law with the First Law)1、一定律， 100% 二定律， 100% 2、一定律，热功当量 二定律，热功转换具有方向性3、一定律，无温度概念 二定律，不同温差下，传递相同热量，效果不同4、一定律，能量在数量上要守恒 二定律，能量守恒过程未必都能实现三、两种表述等效性的证明(Prove the Equality of the Two Statements)1、假设克氏表述不成立，那么开氏表述也不成立。反证法，假设克氏表述不成立2、假设开氏表述不成立，那么克氏表述也不成立 反证法，假设开氏表述不成立5.2 可逆过程

6、与不可逆过程(Reversibility Process and Irreversibility Process)教学设计一、教学内容与目的教学内容：1、可逆过程与不可逆过程2、各种不可逆过程都是互相关连的教学目的：1、由可逆过程与不可逆过程概念的建立，培养学生由特殊到一般，由具体到抽象的思维方法2、通过对各种不可逆过程等效性的证明，引导学生掌握物理学中的反证法，培养学生分析、解决一类物理问题的能力3、培养抽象思维能力4、培养逆向思维能力5、培养建构物理模型的能力6、培养发散思维能力二、教学要求1、掌握可逆过程与不可逆过程的概念2、理解各种不可逆过程等效性的证明方法三、教学方法1、研究型教学法

7、2、师生互动教学法3、多媒体辅助教学法四、培养发散思维能力的知识载体，研究性课题探讨自然科学与社会科学中各种可逆过程与不可逆过程的共同特征五、课程论文题目广义的可逆过程与不可逆过程六、教学重点、难点、疑点1、重点：可逆过程与不可逆过程2、难点： 各种不可逆过程等效性的证明 5.2 可逆过程与不可逆过程(Reversibility Process and Irreversibility Process)一、可逆过程与不可逆过程1、无摩擦的准静态过程可逆过程结论：系统与外界都完全复原了。2、有摩擦的准静态过程不可逆过程思考题：1、不可逆过程是否可以逆向进行？2、过程不可逆的原因是什么？二、各种不可

8、逆过程都是互相关连的 (the Various Irreversibility Processes Are Interconnected)1、由功变热不可逆证明气体自由膨胀不可逆2.由气体自由膨胀不可逆证明功变热不可逆5.3 卡诺定理与可用能(Carnots Theorem and the Avaiable Energy)教学设计一、教学内容与目的教学内容：1、卡诺定理2、可用能教学目的：1、对学生进行历史唯物主义教育2、引导学生正确运用类比法3、培养逆向思维能力4、培养对根底知识和根底理论融会贯穿的能力5、培养论文写作能力二、教学要求1、掌握卡诺定理的内容2、理解卡诺定理的证明方法3、理解可

9、用能概念三、教学方法1、研究型教学法2、师生互动教学法3、多媒体辅助教学法四、培养对根底知识和根底理论融会贯穿能力的知识载体，研究性课题可用能概念与环境保护问题五、课程论文题目可用能与环境保护六、教学重点、难点1、重点： 卡诺定理、可用能2、难点：卡诺定理的证明 5.3 卡诺定理与可用能(Carnots Theorem and the Avaiable Energy)一、卡诺定理1 在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相同，与工作物质无关。2在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆热机的效率。先证定理的结论1 以理想气体为工质的可逆

10、卡诺热机效率为再证定理的结论2联合热机由热源吸热 联合热机向冷源放热 联合热机对外做功 反证法。假设 ，那么按不等式可能存在以下三种情形情形联合热机R+S热源冷源外界结论不变获热失热不变热量自动地从低温热源传到高温热源不变不变失热获功单冷源做功不变失热不变获功单热源做功关于致冷系数也可得到类似的两条结论：1在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆致冷机，其致冷系数都相等，与工作物质无关。2在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不逆致冷机的致冷系数不可能大于可逆致冷机的致冷系数。以理想气体为工质的可逆卡诺致冷机的致冷系数为二、可用能(the Available Energy)开尔文表述卡诺

11、定理能量可用度高，能量品质好； 能量可用度低，能量 品质差；5.4 热力学温标(Thermodynamic Temperatuur Scale)教学设计一、教学内容与目的教学内容：热力学温标教学目的：培养抽象思维能力。二、教学要求理解热力学温标的建立方法三、教学方法1、研究型教学法2、师生互动教学法3、多媒体辅助教学法四、教学重点热力学温标 5.4 热力学温标(Thermodynamic Temperatuur Scale)对可逆卡诺热机A对可逆卡诺热机B对等效热机C(4)与1比较另一普适函数选择一种温标，使 那么有比值 与工作物质的特性无关，所引进的温标不依赖于任何具体物质的特性，是一种绝对

12、温标，称为热力学温标，用开表示。定标点：水的三相点的温度热力学温标与理想气体温标是一致的。5.5 熵与热力学第二定律的数学表述 (Entropy and Mathematical Formulation of the Thermodynamics Second Law)教学设计一、教学内容与目的教学内容：1、克劳修斯不等式2、熵3、热力学第二定律的数学表述，熵增加原理4、热力学根本方程教学目的：1、培养透过现象看本质的分析问题能力2、学习建立物理概念的方法3、培养逻辑思维能力4、培养抽象思维能力5、培养综合分析论述能力6、培养论文写作能力二、教学要求1、掌握克劳修斯不等式及由克劳修斯不等式建立

13、熵概念的方法。2、会计算各种过程的熵变。3、掌握热力学第二定律的数学表述。4、掌握熵增加原理。5、掌握热力学根本方程三、教学方法1、研究型教学法2、师生互动教学法3、多媒体辅助教学法四、课程论文题目1、克劳修斯熵2、熵与热力学第二定律3、拓宽热力学第二定律的理论体系4、熵增加原理5、熵热力学时间之矢五、教学重点、难点1、重点： 克劳修斯不等式，熵，热力学第二定律的数学表述，熵增加原理2、难点：熵增加原理 5.5 熵与热力学第二定律的数学表述 (Entropy and Mathematical Formulation of the Thermodynamics Second Law)一、克劳修斯

14、不等式(Clausiuss Inequality) 卡诺循环的效率可逆卡诺循环的效率据卡诺定理 任意循环C卡诺循环 卡诺循环 n个卡诺循环二、熵(Entropy)任意可逆循环C对任意的不可逆循环 三、热力学第二定律的数学表述，熵增加原理 (Mathematical Formulation of the Second Law Principle of the Increase of Entropy)当热力学系统从一平衡态经绝热过程到达另一平衡态时，它的熵永不减少。如果过程是可逆的，那么熵的数值不变；如果过程是不可逆的，那么熵的数值增加，这一结论称为熵增加原理。一个孤立系统的熵永不减少。思考题：熵

15、是否可以减少？四、热力学根本方程 只有体积变化功的可逆过程 5.6 温熵图(Temperature and Entropy Diagram)教学设计一、教学内容与目的教学内容：温熵图教学目的：培养从不同视角观察问题、解决问题的能力。二、教学要求会利用温熵图计算热量、效率。三、教学方法1、研究型教学法2、师生互动教学法3、多媒体辅助教学法 5.6 温熵图(Temperature and Entropy Diagram) 卡诺循环5.7 熵流与熵产生 能量的退降(Entropy Flows and Entropy Production,Vestigial Energy)教学设计一、教学内容与教学目

16、的教学内容：1、熵流2、熵产生3、能量的退降教学目的：1、引导学生认识熵的本质2、扩大学生的知识面3、培养创新思维能力二、教学要求了解熵流、熵产生与能量的退降三、教学方法1、研究型教学法2、师生互动教学法3、多媒体辅助教学法四、课程论文题目1、熵流与熵产生2、能量的退降3、能与熵 5.7 熵流与熵产生 能量的退降(Entropy Flows and Entropy Production,Vestigial Energy)一、熵流对无限小的可逆过程有这说明在可逆过程中熵增是由于有热量流入系统而产生的，这也可以表述为熵增是由于有熵流入系统而产生的，并称之为熵流，在可逆过程中外界对系统所做的功虽然可

17、以改变系统的状态，但不能改变系统的熵值。二、熵产生对不可逆过程，有这说明在不可逆过程中熵增大于熵流。因为除了熵流之外，还有不可逆过程本身产生的熵，称作熵产生。假设用dSc表示熵产生，那么上式可表为1在可逆过程中，只有熵流；2在不可逆过程中，除了熵流之外还有熵产生； 3在不可逆绝热过程中，只有熵产生； 4孤立系统也只有熵产生。三、能量的退降对可逆过程，热力学第一定律可表为 对不可逆过程，那么可表为 可逆过程的熵变为不可逆过程的熵变为显见 所以 这种消耗同等数量的内能，在不可逆过程中所做的功小于可逆过程中所做的功这一现象，称作能量的退降。5.8 热力学第二定律的统计意义(the Statistic

18、s Explanation of the Thermodynamics Second Law)教学设计一、教学内容与教学目的教学内容：1、玻耳兹曼关系 颠峰之作 伟大人格 科学悲剧2、负熵 负熵的由来 正熵与负熵 高熵态与低熵态 高熵物与低熵物3、热力学第二定律的统计意义气体自由膨胀过程不可逆的统计意义 功变热过程不可逆的统计意义 热力学第二定律的统计意义教学目的：1、培养发散思维能力2、培养创新思维能力3、培养综合分析论述能力4、培养对科学真理执著的追求精神，提升人格品位5、渗透新兴交叉学科的理论架构6、培养论文写作能力8、拓宽科学视野，加强对物理学及自然科学、社会科学整体性的认识二、教学要

19、求1、掌握玻耳兹曼关系的内涵2、掌握热力学第二定律的统计意义3、了解负熵论与熵世界观三、教学方法1、研究型教学法2、师生互动教学法3、多媒体辅助教学法四、培养创新思维能力的知识载体，研究性课题1、负熵论2、熵世界观3、熵泛化的理论渊源五、课程论文题目1、科学巨星玻耳兹曼2、负熵论3、熵世界观4、熵的泛化5、熵与人的创造性思维6、熵与大学生学习的自主性与独立性7、熵觉悟8、熵的演化9、玻尔兹曼与玻尔兹曼关系10、负熵流与有序11、熵理论的哲学意义六、教学重点热力学第二定律的统计意义 5.8 热力学第二定律的统计意义 (the Statistics Explanation of the Therm

20、odynamics Second Law)一、 玻耳兹曼关系问题的提出：这个矛盾的发现，为揭示热力学第二定律的统计意义找到了契机；这个矛盾的解决，把玻耳兹曼的研究工作推向了颠峰。1、 颠峰之作单个分子的运动是可逆的，大量分子在相互作用中所表现出来的宏观热力学过程，却服从熵函数S单调增加的规律，即表现出不可逆性，这两者是矛盾的。这个矛盾就是曾使一些著名的科学家们困惑一时的可逆性佯谬。为解决这个矛盾所作的努力，把玻耳兹曼的研究工作推向了科学颠峰。1877年，玻耳兹曼提出了对这个佯谬的解答，发表了题为“论热力学第二定律与几率的关系，或平衡定律的论文。在这篇论文中，具有非凡的科学洞察力的玻耳兹曼，运用

21、几率方法进行推算，创造性地把熵S和系统相应的热力学几率联系起来，得出了SlogW这一科学巨论。23年后，1900年，普朗克M. Planck, 1858-1947在他关于“热辐射的著名讲义中引进了比例系数，将上式简写为 热力学几率：与某一宏观态对应的微观态数假设分子可分辨 虽然在玻耳兹曼的论文中，从没有将这个公式明显地写出，只是论证了S与logW 成正比，是但将此公式冠以玻耳兹曼之英名，他却是当之无愧的。熵与热力学几率成正比这个具有深远影响的科学思想是玻耳兹曼独创的。系统的宏观态与系统的微观态数的对数成正比这一适用于整个自然界的客观真理是玻耳兹曼首先发现的。是所有科学公式中的第一公式，它诞生于

22、玻耳兹曼科学创造的颠峰时期，所以可称之为玻耳兹曼的科学颠峰之作。玻耳兹曼的科学颠峰之作揭示了热力学第二定律的统计本质，指出这个定律只是一个统计规律，熵自发减小的过程不是绝对不可能，只是几率非常小。玻耳兹曼的科学颠峰之作把力学过程的可逆性与热力学过程的不可逆性辨证地统一起来，它揭示出热力学规律是物质结构的原子性的表现，其统计规律性根植于系统中巨大数目粒子的随机运动。难能可贵的是当玻耳兹曼把宏观的热力学过程与物质的微观运动联系到一起，即当玻耳兹曼完成其科学颠峰之作时，原子、分子的客观现实性还没有被科学界普遍成认。玻耳兹曼的科学颠峰之作所揭示的熵和热力学几率之间的联系是物理学最深刻的思想之一。物理概

23、念第一次用几率的概念表达出来，意义深远。作为科学公式，玻耳兹曼关系已成为物理学中最重要的公式之一。在一个公式里会聚了这么丰富的内容，言简意赅，影响深远，在整个物理学中实属罕见，可与之相媲美的似乎只有牛顿运动定律和爱因斯坦的质能关系因此，在维也纳中央公墓玻耳兹曼的墓碑上，只刻下了 log为对数符号，更确切地应写作或这一公式，作为玻耳兹曼的墓志铭。这也说明，玻耳兹曼关系对科学、对人类的奉献已远远超出了玻耳兹曼在其它方面的科学奉献。墓碑上的玻耳兹曼关系已足够使玻耳兹曼的不朽功勋照耀千秋万代。玻耳兹曼的墓志铭最恰当地总结了他的研究工作。玻耳兹曼的墓是宏观世界和它的原子内涵之间的桥梁。玻耳兹曼常数k是自

24、然界的普适常数, 成为反映自然界普遍规律的六个根本常数之一。玻耳兹曼关系不仅描述了热力学第二定律的统计意义，而且还表达了自然界遵循的普遍规律统计性规律。在自然界中，凡有大量对象卷入后，不管统计的对象是什么，是宏观的，还是微观的；也不管此对象的微观态遵循什么规律，是自然科学规律，还是社会科学规律，玻耳兹曼关系所揭示的统计性规律总要起作用。统计性规律是支配群体的规律，不管是分子的群体、星体的群体，还是人、动物和植物的群体。单体不存在这种规律，对大量单个事物进行统计时，这种规律才呈现出来。玻耳兹曼关系为体系的宏观态与微观态之间架起了一座桥梁，起到了宏观量与微观量之间的当量作用。此处体系的概念是广义的

25、, 它可以是热力学的，也可以是非热力学的；可以是自然科学体系、社会科学体系，也可以是宇宙系统。宏观态与微观态，宏观量与微观量的概念也是广义的，微观态与微观量可以与物质的微观结构有关，也可以与物质的微观结构无关。玻耳兹曼关系适用于一切内部存在着差异的系统，标志系统内部差异的量是广义的微观态数W，它代表系统一切可能出现的微观态数。微观态系指按任意方式定义的能反映系统差异程度的状态，它可以是微观的，也可以是宏观的。正是由于玻耳兹曼关系具有如此深刻、广泛的内涵，物理学中的熵概念才被移植到整个自然界，生长出各种各样的熵。如生命熵、植物熵、信息熵、心理熵、环境熵、地球熵、经济熵、思想熵、思维熵、政治熵、历

26、史熵、文学熵、情熵、艺术熵、音乐熵、教育熵、军事熵、社会熵、黑洞熵、气象熵、消费熵、建筑熵、结构熵、演化熵、行为熵、基因熵、宇宙进化熵、系统科学熵、哲学熵、宗教熵、微分熵、随机过程熵、浓度场熵、温度场熵、农业系统熵、土壤系统熵、作物生态系统熵等众多的非物理熵。一门学科中的任何一种有生命力的新思想、新方法和新概念，都会被移植和渗透到其他学科领域。有些非常重要的科学概念和科学思想，由于它正确地反映了人类认识客观世界的结果，所以当它被移植和渗透到了相当的程度，就会改变人们关于世界的科学图景，改变人们的思维方式和世界观。熵就是这样一个概念，它正在悄悄地改变我们的思维方式，改变我们的世界观。熵觉悟、熵世

27、界观正在成为21世纪一种新的理念。S=klnW是熵概念泛化与演化的理论根底，各种各样的熵的诞生都是S=klnW的变异。S=klnW对自然界包括生命世界、人类社会乃至整个宇宙的影响之深、之远是任何一个科学公式所无法比较的。面对S=klnW这样的公式，很像面对完美的艺术品，令人有鬼斧神工之感，叹为观止！玻耳兹曼对麦克斯韦方程赞赏备至，曾经说过：“写下这些记号的难道是一位凡人吗？我们不妨将此移用于以他的名字命名的关系式，不也是非常恰当的吗？！玻耳兹曼关系S=klnW永恒！2、 伟大人格玻耳兹曼热爱科学，追求和谐，为科学真理而奋斗不息。在科学研究中玻耳兹曼有执著的追求精神，从不放过任何一个疑难问题。他

28、常常被所研究的问题所陶醉，甚至到达了忘我的境界。有一次在自己学生的博士论文授予仪式上，玻耳兹曼由于专心致志地思考问题，竟然忘记了给学生颁发学位证书。在仪式结束时，玻耳兹曼把证书递到了前来向他祝贺的校长手中。在为人处事方面，玻耳兹曼努力将做人的宽容与做学问的严谨区别开来，将科学上的争论和对峙与真诚的个人感情区别开来。在学术论争中，洛喜密脱、马赫(E. Mach, 1838-1916)、奥斯特瓦耳德(F. W. Ostwald, 1853-1932)是玻耳兹曼的主要对手。在科学问题的论争中，双方总是唇枪舌战，以理据争，互不相让。在争论后，玻耳兹曼总是想方法主动恢复淡化了的私人情感。玻耳兹曼曾主动写

29、信给洛喜密脱恢复个人关系，并在洛喜密脱逝世后，亲自撰文哀掉。玻耳兹曼是一个只注重内涵，不注重仪表的人。他的衣着非常随便，常常不拘小节。1904年，他去美国参加圣路易斯世界博览会，穿着一身很旧的衣服，工作人员将他误认为是一位搬运工，让他快去给玻耳兹曼搬运行李。玻耳兹曼伟大人格的力量永恒！3 科学悲剧劳厄说：“如果没有玻耳兹曼的奉献，现代物理学是不可想象的。如果不是玻耳兹曼这位科学巨星突然陨落，人类文明的历史进程将提前半个世纪。熵世界观、熵觉悟、熵文明在今天可能已普及于全世界。由于玻耳兹曼的科学颠峰之作创造于物质的分子、原子构成理论尚未被科学界普遍接受那样一种科学气氛中，因此当时人们不仅没有看到玻

30、耳兹曼的这一无与伦比的科学成就的伟大意义，反而对玻耳兹曼进行围攻。又加之玻耳兹曼长期孤军奋战以及疾病的折磨，使感情丰富的玻耳兹曼心灰意冷，陷入孤独、忧郁和绝望的境地。1906年9月5日，玻耳兹曼在意大利特里亚司特附近的杜伊诺度假时自杀身亡。玻耳兹曼的自杀是科学史上的一大悲剧！尤其令人感到遗憾的是，科学史上的这一悲剧恰恰发生在根据布朗运动的实验和理论最后证实分子、原子存在的前夕。当时的科学气氛对玻耳兹曼的精神压力实在是太大了，以致于压跨了伴随玻耳兹曼一生的对科学的执著的追求精神，使他无力去面对已经疲惫不堪的一生，去等待原子、分子论的被成认，最终选择了这一消极的解脱方式。玻耳兹曼的生命之熵还没有到

31、达熵最大的平衡态，他的生命就骤然停止了，这是科学史上最大的悲剧！然而，历史是公正的。玻耳兹曼逝世不久，皮兰J.B.Perrin,1870-1942关于布朗运动的实验，直接证明了原子论的正确性。与此同时，大多数化学家也接受了原子、分子学说，对以奥斯特瓦耳德为首的唯能论者展开了公正的剧烈批评。就在玻耳兹曼逝世的同一年，这种批评使奥斯特瓦耳德无法再在大学里继续任教，他辞去了莱比锡大学教授的职务，开始了隐居生活。1909年，他很内疚地说玻耳兹曼是在科学事业中“比我们都要更敏锐更认真的人。在科学事实面前，奥斯特瓦耳德变得谦虚和中肯了，他在即将获诺贝尔奖时自叹不如玻耳兹曼。科学巨星玻耳兹曼，光辉永驻！ 将

32、玻耳兹曼关系换一种写法二、负熵 1、负熵的由来 玻耳兹曼说：“生物为了生存而作的一般斗争，既不是为了物质，也不是为了能量，而是为了熵而斗争。 玻耳兹曼虽然没有明确地提出负熵的概念，但玻耳兹曼在这里所说的熵就是负熵。 奥地利理论物理学家、量子力学理论的创始人之一薛定谔于1944年最先提出负熵的概念，并与生物的生长和进化联系起来。他认为“一个生命有机体是在不断地增加着正熵，并趋于熵为极大值的状态，那就是死亡，要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的方法就是从环境里不断汲取负熵去抵消体内正熵的增加，这样它才能维持自己的有序状态，防止退化到无序的死亡状态。玻尔兹曼熵中的是系统内部混乱程度或无序程度的量度。薛定

33、谔认为，既然是无序度的量度，那么“它的倒数可以作为有序度的量度，因为的对数正好是的对数的负值，玻尔兹曼关系可以写成这样：。因此，负熵是有序的量度。 1969年，比利时科学家普利高津提出了耗散结构论。普利高津认为，一个远离平衡态的开放系统的总熵变应由两局部组成：一局部是系统内部由于不可逆过程而产生的熵，它绝不为负；另一局部是系统与外界交换物质和能量而引起的熵流，它可正，可负，可为零。于是普利高津的这一理论明确指出了一个远离平衡态的开放系统，可以通过与外界交换物质、能量来获取负熵流以减小系统的总熵，并到达一种新的更加有序状态。2、正熵与负熵正熵和负熵是从两个对立面来描述系统的。正熵是无序的量度，负

34、熵是有序的量度。正熵的增加意味着系统朝着混乱无序的方向开展，是退化的标志。负熵的增加意味着系统朝着有序的方向开展，是进化的标志。负熵既不是信息也不是熵变量的负值，负熵的独立意义如同负温度、负能量、负质量一样，不能简单的认为它仅仅是取负号的正熵，就如同不能认为负数仅仅是取负号的正数一样。负熵的概念具有相对性。不能简单认为系统引入物质、能量、信息就一定是摄取负熵，关键是看引入的东西是否对系统的演化产生了积极的作用，推动了系统的有序化进程。同样的物质、能量、信息对一个系统是负熵，对另一系统那么可能是正熵；甚至同样的东西对同一系统的某一时刻是负熵，在另一时刻又可能是正熵。负熵与正熵两者是辩证的统一。负

35、熵与正熵可以相互转化。不仅负熵可以转化正熵，正熵也可以转化为负熵；如果一个系统所排出的正熵能对另一系统的有序化进程产生积极的作用，那么这个系统所排出的正熵就成为另一系统的负熵。如家禽的粪便，对其自身当然是正熵，可它却能使农作物茁壮成长，从而成为农作物的负熵。3、 高熵态和低熵态根据热力学第一定律，人们曾一度认为，虽然所有的能量均是守恒的，既创造不出，也消灭不掉，但可以被转化。那么我们就能通过这种转化获得永世不竭的物质和能源的享用。而热力学第二定律打破了这种梦想。因为从总体上说，物质和能量只可作单方向的转化，尽管我们可以在局部范围内变废为宝，化无用为有用，但这种转化都是以整个系统熵的增加为代价的

36、。系统熵的增加，意味着系统混乱度增加、无序度增强、可用度减小，此状态就是我们所不希望的高熵态；而与此对应的，混乱度小、有序度强、可用度大的状态，那么是我们为之奋斗的低熵态。自然界发生的过程都是单向性的，是自发过程。如，气体向真空膨胀；两个温度不同的物质接触，发生热传导；小树苗长成大树；幼儿长成大人等，都是单向性的，自发的不可逆过程。对于孤立系统，发生自发不可逆过程，都是从有序变为无序，混乱度小变为混乱度大，由低熵态变为高熵态，体系熵值增加。低熵态容易变成高熵态，而高熵态难于转变为低熵态。例如，要把满操场的几个班幼儿园小朋友排成播送体操的队形对应于低熵态，老师们要花好大力气，而要把排好的队形搞乱

37、对应于高熵态，老师只要喊一声“解散就行。4、高熵物与低熵物熵表示不可用性，故物质可有低熵物质含负熵多和高熵物质含负熵少之分。低熵物质经过使用后熵增加了，就说这种物质熵增了，与原来的低熵态相比，就相对的成为高熵物质了。如从天然石油中提练汽油，对汽油来说，提练汽油的原油就是相对高熵的物质了；但对于煤油和柴油来说，它还是低熵物质。如果再把煤油和柴油也提取掉，剩下的重油对于前三者都是无可用性的，但是它还可用作裂化、气化或润滑油的原料，对于后者来说，它仍是低熵物质。最后提剩的石油沥青，因具有优良的粘结性、抗水性和防腐性，可用以铺筑路面，制造碳素材料等，仍有可用性。高熵物和低熵物也是相对的概念。新鲜空气对

38、人类的可用度远比受污染的空气为高，故相对于新鲜空气来说，受污染的空气不可用度增加了，也就是受污染的空气的熵增加了； 清洁的水的可用度远比受污染的水为高，故相对于清洁的水来说，受污染的水的不可用度增加了，亦即受污染的水的熵增加了。受污染的空气高熵的空气，高熵物新鲜的空气低熵的空气，低熵物受污染的水高熵的水，高熵物清洁的水低熵的水，低熵物高熵物就是不可用度高的物质。受污染的空气或水虽然不可用度增加了，但是也并非完全不可用，不过用处已很窄，如不能饮用的水可用以洗衣服。熵无时不在，无处不在。负熵与我们息息相关。三、热力学第二定律的统计意义1、气体自由膨胀过程不可逆的统计意义 分子稀少，自由膨胀逆过程的

39、可能性是存在的。分子众多，自由膨胀逆过程实际上是不可能实现的。 自由膨胀逆过程的可能性小到什么程度？A部，个分子,种微观态 2、功变热过程不可逆的统计意义功热机械能内能分子定向运动能量 分子无规那么运动能量 几率小的状态 几率大的状态 是可能的热 功内能 机械能 分子无规那么运动能量 分子定向运动能量 几率大的状态 几率小的状态 是不可能的一旦宏观的机械功转变为分子热运动的能量，虽不违背能量守恒定律，但却有一去 不复返的单向性，再也不能无条件地重新聚集起来转变为有用的机械功。热功转换过程具有非对称性。3、热力学第二定律的统计意义孤立系统内发生的过程总是由出现几率小的宏观态向出现几率大的宏观态进行，即由包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态进行。 玻耳兹曼关系不仅赋予了热力学第二定律以统计的意义，还揭示了熵的内涵 熵是系统无序度混乱度的量度。固体熔化为液体的过程是熵增加的过程，液体的分子排列比固体的分子排列更混乱、更无序。液体蒸发为气体的过程是熵增加得更多的过程，气体的分子排列比液体的分子排列更混乱、更无序。微观粒子的热运动产生无序性，粒子之间的相互作用产生有序性。两者之间的矛盾是宏观物体的一对根本矛盾。熵正是微观粒子热运动产生无序性的定量描述。因此，熵是大量粒子系统所特有的物理量。因为只有大量粒子系统才有混乱程度、有序和无序等问题，因此对单个粒子无所谓熵。