第二章有序、无序和熵.docx

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1、第二章 五、有序、无序和熠自然界一切涉及热现象的宏观过程都是不可逆的，每一种宏观过程的不可逆性，都可以 用来作为热力学第二定律的一种表述，所以热力学第二定律的表述方法是多种多样的。那么, 能不能概括所有不可逆过程的共同本质，找巾一个普遍的物理量作为共同的标准，判断各种 不可逆过程的进行方向呢？能量的耗散与退化1852年，W.汤姆孙指出，在自然界发生的种种变化中，能量的总值虽然保持不变（守 恒），但是能量可被利用的价值却越来越小，或者说能量的品质在逐步降级。这就是能量的 耗散与退化。对于人类来说，内能不如机械能、电能好用，它只能部分地用于做功，总有一部分内能 要散发到温度较低的环境中。可见，内能

2、是一种低品质的能，其他形式的能量通过摩擦、碰 撞、燃烧等过程转换成内能，能量的品质就降低了。由于宏观过程的不可逆性，一个系统的内能一旦增加，这个系统就永远无法依靠自身的 作用（自发地）回到原先的状态，除非系统靠外界的帮助；而“外界的帮助”将更多地消耗 其他形式的能量，产生出更多的内能来。当我们使用地球上的能源时，并不会减少地球上的能量，而是将能源中高度有用的能量 形式降低为不大可用的能量形式。例如，开汽车时要消耗汽油，把汽油中的化学能转变成内 能，而汽车排气管排出的废气带走的内能就不能利用了。思考与讨论既然能量是守恒的，我们常说的“节约能源”又是什么意思？你能从日常生活中举出一 些能量耗散与退

3、化的例子吗？绝对零度不可达到我们在初中学过，宇宙中存在着温度的下限：-273.15。热力学温度，即绝对温度，就 是以这个温度下限为起点的。热力学温度用丁表示，单位是开尔文（kelvin）,符号是K。热力学温度7与摄氏温度f（单位是C）之间的换算关系是T=r+273.15 K1下表是我们已经知道的一些温度值。一些实际的温度值事件温度77K氢弹爆炸中心108实验室获得的最高温度6X107太阳中心1.5X107地球中心4X103乙快火焰2.9X103金的熔点1337 (1064)锡的熔点505 (232)月球的向阳面400 (127)1在表示温度的差值时.K与的意义相同，因此分别以K和。C为单位的物

4、理量可以相加减。地球上出现的最高温度（利比亚）331 (58)地球上出现的最低温度（南极）185 (-88)月球的背阴面90 (-183)氮的沸点77氢的沸点4.2星际空间2.7实验室已获得的最低温度2.4X10 川从这个表中我们看到，实验室获得的低温已经非常接近热力学零度（即绝对零度）。随着科学技术的发展，人们可以获得越来越低的温度。在低温世界单，许多物质的性质不同于 常温下的性质，人们正在探索低温领域垦的物理现象。如何获得低温，是一项重要的研究课 题。然而，人们发现，温度越低，降温越困难。对大量事实的研究分析表明，不可能通过有 限的过程把物体冷却到绝对零度。这个结论也叫做热力学第三定律（t

5、hird law of thermodynamics ）。尽管热力学零度不可能达到，但温度总可能降低。人们还在想办法尽可能接近热力学零 度。炳增加原理1865年，克劳修斯分析了自然界自发过程的共同特征，引进了一个新的物理量燧 （entropy）来表述能量耗散过程，通常用S表示。他证明了，只要有热从高温物体流向低 温物体，或者只要做功产生了热，系统的燧值就要增大。更一般地说，由于自然界发生的任 何过程中总会伴随着能量的耗散和退化，所以在一个热学系统发生的任何过程中，系统的燧 都会增大。这样，热力学第二定律又可以表述为：任何孤立系统，它的总嫡永远不会减小；或者说， 自然界的一切自发过程，总是朝着燧

6、增加的方向进行的。这就是燧增加原理。这里说的“孤立系统”，指的是与外界没有物质交换、热交换，与外界也没有力的相互 作用、电磁相互作用的系统。这就排除了外界的影响，强调了过程的自发性。“端”这个概念是比较抽象的。克劳修斯指出，燧字本身就是“转变含量”的意思。一 个系统的熠越大，就越接近平衡状态，就越是不易转化。所以，燧表示孤立系统内能量的耗 散和退化的程度。增增加原理所揭示的，就是“自然界中有效能量不断减少”这种不可逆性。热力学第一定律的基本概念是能量，热力学第二定律的基本概念是燧。嫡的概念虽然曾 被视为“神秘的幽灵”，然而在回顾一百多年来人类的成败得失时，人们格外感到炳的概念 的重要性和牖的理

7、论的无限深邃；它已经在信息论、控制论、宇宙科学、生命科学乃至社会 科学领域得到了广泛的应用。有序向无序的转化在热传递的过程中，两个物体的温度不同，或一个物体各部分之间的温度不同，这是一 种比较“不均匀”的状态。当热传递过程结束时，两物体之间或一个物体的各部分之间的温 度相同了，这是一种比较“均匀”的状态。在热传递过程中，系统可以自发地从比较不均匀 的状态变为比较均匀的状态。一个箱子被隔板分为左右两室，左边有气体，右边是真空。一旦隔板撤去，气体会从左 向右膨胀。气体分子集中于一侧的状态，是比较“不均匀”的状态，而气体分子平均地分布 在左右两室，这是比较“均匀”的状态。这也是个不可逆过程，过程的方

8、向是从比较不均匀 的状态变为比较均匀的状态。比较不均匀的状态是比较有序的状态。例如图2.5-1中“分子集中于左室，右室没有分 子”，这是一种秩序，而所有分子均匀分布在两室，属于没有秩序。这就好像学生做操，按 一定规则站队，比较有序，而解散之后的杂乱分布，比较无序。乙.图2.5-1自由膨胀过程的方向是从比较不均匀的状态变为比较均匀的状态从微观的角度说，热传递过程也是从比较有序的状态变成比较无序的状态。例如，物体 甲的温度比乙高，说明甲的分子的热运动比较剧烈，这是一种秩序。达到热平衡后两者的温 度一样了，两个物体的分子的热运动没有区别了，变为无序。生活中的例子也很多。一座高楼，砖、瓦、钢筋、玻璃的

9、排列整齐有序；爆破后倒塌成 一堆废墟就杂乱无序了。一树绿叶，排列有序;秋风一吹，叶落遍地,就乱糟糟无序可循了 概括以上分析我们认识到，系统自发的过程总是从有序变为无序的。前面已经知道，系 统总是从崎比较小的状态变为燧比较大的状态，由此可见，埔是表征系统的无序程度的物理 量，埔越大，系统的无序程度越高。科学漫步生命和燧把水洒在地上，水就会渗到泥土中；把颜料放到水里它就会均匀地扩散开，这都是符合 热力学第二定律的。但是，生物界不少过程却与此相反。例如，生长在干旱田地里的西瓜, 水分不仅不会从西瓜渗到泥土里，反而会从泥土里聚集到西瓜中。海带和紫菜也能把分散在 海水里的碘集中起来，这就是生物的“富集现

10、象二初看起来，这些现象似乎与热力学第二 定律不一致。此外，生命体本身就是一个高度有序的系统，它由那么多细胞组成多种组织, 形成多种有特定职能的器官和多种生理系统，共同保证着生物的生命活动。而这些居然是从 嚼碎的食物变化而来的！生命系统也是自然界的一部分。如果自然界的自发过程总是从有序走向无序，那么怎么 会从中产生高度有序的生命体呢？1944年，奥地利物理学家薛定谓指出，生命活动必然服从已知的物理学定律，包括热力 学的基本原理。他还指出，生命体在其内部时时刻刻都在“制造”着崎，即燧在增加着，这 是符合端增加原理的。的确，生命活动是一个耗散过程，从食物的发酵到人的劳作，都要生 热。在能量的耗散过程

11、中，燧要不断增加，即无序性和混乱性增加。对于生命来说.嫡达到 最大值就是死亡。所以，要活着，生物有机体就必须使自身保持低嫡的状态，如何能做到这 一点呢？薛定诗回答说：“靠吃、喝、呼吸，专门的术语叫新陈代谢他还进一步指出：“新 陈代谢的本质，就是使有机体成功地消除它自身内部不断产生的燧J这就是说，通过新陈 代谢活动，降低生命有机体的燧，来抵消生命活动中产生的燧的增加，从而使自身维持在一 个稳定的低燧状态。所以，薛定谓认为有机体是依赖炳的减少来生存的。这就是生命的热力 学基础。图2.52 摄取“秩序”热力学第二定律告诉我们，一个与外界没有物质和能量交流的封闭系统，它的端只能增 加，不能减少。但是，生命有机体却是一个开放系统，它不断地吃、喝、呼吸.又不断地排 泄,生命体与外界不断有物质和能量的交流,在这种交流中，它一面从外界摄入低燧的物质， 一面向外界排出高端的物质，使有机体维持在低焰状态。一旦生物有机体同他生存所必需的 环境隔离开来，成为一个孤立系统，那么机体就会死亡、腐烂，走向无序。问题和练习1 .地球上的最高气温和最低气温相差多少摄氏度?2 .根据你对蜡增加原理的理解，举出一些系统从有序变为无序的例子。3 .自然过程的方向性是从有序状态自发地转向无序状态。如何根据这种理论说明热传 递和做功生热两种过程的不可逆性？