丹江口市物理 第十章 热力学定律 第五节 热力学第二定律的微观解释 新人教版选修3-3.ppt

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1、 第五节第五节 热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释一个“妖精”，神通广大，能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A，B两部分，并在隔板上安装一个阀门，当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。假设这个容器开始时完全充满了一定温度的气体，按照热的动力论，一定的温度对应于分子的一定的平均温度，因为气体分子的运动具有随机性质，有的分子的速度将大于平均值，有的则将小于平均值。妖精在适当的时候打开阀门，让快的分子从B 进入A，慢的分子从A进入B，结果不须消耗能量，B 部分的温度就下降，A部分的温度就上升，热量可以自发地从低温物体流向高温物体。一

2、般的解释是：妖精必须得到一些“知识”，才能把“快”分子和“慢”分子区分开来。为了获得这些信息，要不要消耗能量？如果需要，则容器、气体、隔板、妖精作为封闭系统，为得到所要信息所需的能量，将不大于因利用这一信息而消耗的能量，并没有违反热力学第二定律。麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗？自发总是从有序到无序演化但是麦克斯韦的妖精可以使其向有序化发展，酶，就是生命中的麦克斯韦的妖精；而人类全体作为麦克斯韦的妖精，增加着社会的有序度。毕竟，“妖精”，用通俗的话说，是个生物，也是个信息系统，“妖精”就是对宇宙演化的一种抗争。热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化热力学第一定律给出了各种形式的能量在

3、相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。凡符合热一律的过程凡符合热一律的过程-即符合能量守恒的过程是即符合能量守恒的过程是否都能实现呢？否都能实现呢？实验表明，实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的。是有方向性的。一、自然过程的方向性一、自然过程的方向性热传导过程热传导过程 例如：例如：气体的绝热自由膨胀过程。气体的绝热自由膨胀过程。这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，方向进行的，

4、相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。如果可以发生，则必然引起其它后果。热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律来解释。学第二定律来解释。二、热力学第二定律二、热力学第二定律 不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。用的功而不产生其他影响。功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它影响是不可能的。影响是不可

5、能的。1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。年开尔文总结出热力学过程进行的限度。1.1.开尔文表述开尔文表述 以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但这时引起了其它的变化。胀。但这时引起了其它的变化。开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性高温热源高温热源T1=0第二类永动机（单热机）不第二类永

6、动机（单热机）不能制成。能制成。第二类第二类永动机永动机高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 与之相应的经验事实是，当与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，两个不同温度的物体相互接触时，热量将自动地由高温物体向低温热量将自动地由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。温物体传到高温物体。如果借助制冷机，当然可以把如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了外界作功为代价，也就是引起了其它变化。克氏表述指明热传导其它变化。克氏表述指明热传导过程是有方向的。过程是

7、有方向的。2、克劳修斯表述、克劳修斯表述 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。引起其它的变化。1.从开尔文表述入手从开尔文表述入手假定单热机是可以假定单热机是可以造成的，则造成的，则高温源高温源低温源低温源Q 高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 3、两种表述是统一的、两种表述是统一的2.从克劳修斯表述入手从克劳修斯表述入手 高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 高温热源高温热源T1 假定热量能假定热量能自动地从低温源自动地从低温源传到高温源，则传到高温源，则单热机也能造成。单热机也能造

8、成。热力学过程是有方向性的。热力学过程是有方向性的。2.2.可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过程方向性问题，引入程方向性问题，引入可逆过程可逆过程的概念。的概念。一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到另一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原过程对全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原过程对外界引起的一切影响）则原来的过程称为外界引起的一切影响）则原来的过程称为可

9、逆过程可逆过程；单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来的位置而周围一切都无变化。的位置而周围一切都无变化。反之，如果物体不能回复到原来状态或当物体回反之，如果物体不能回复到原来状态或当物体回复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原来的过程称为来的过程称为不可逆过程不可逆过程。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。单纯

10、的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个容器。最后达到平衡态。其胀充满整个容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生。可能自动发生。A 在热现象中，可逆过程只有在在热现象中，可逆过程只有在准静态准静态和和无摩擦无摩擦的的条件下才有可能。条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的无摩擦准静态过程是可逆的。经验和事实表明，

11、自然界中真实存在的过程都是按一经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。定方向进行的，都是不可逆的。理想气体热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由理想气体热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达到热平衡。从未发现其反过程，使两物体温差增大。到热平衡。从未发现其反过程，使两物体温差增大。可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小，即等温可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小，即等温热传导。热传导。气体的迅速膨胀过程是不可逆的。气体的迅速膨胀过程是不可逆的。但是当气体膨胀非常缓慢又

12、没有其它摩擦时，它但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时，它却是可逆的。却是可逆的。结论：结论：1 1）一切自发过程都是不可逆过程。）一切自发过程都是不可逆过程。2 2）准静态过程（无限缓慢）准静态过程（无限缓慢）+无摩擦的过程是可逆过无摩擦的过程是可逆过程。程。3）一切实际过程都是不可逆过程。）一切实际过程都是不可逆过程。可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到。因为，实际过程都是以有限的速度进行，真正达到。因为，实际过程都是以有限的速度进行，且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是不可逆

13、的。不可逆的。可逆过程是理想化的过程。可逆过程是理想化的过程。强调：强调：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。过程的痕迹完全消除。l 热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一定的方向进行的，是不可逆的，相反方向的过程不定的方向进行的，是不可逆的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。其它后果。开氏表述实质上在于说明功变热的

14、过程是不可逆的。开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。热力学第二定律的实质在于指出：热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有关一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。的实际宏观过程都是不可逆的。它所揭示的客观规律它所揭示的客观规律向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。不可逆过程的统计性质不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）（以气体自由膨胀为例）下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认

15、识第二定律的本质。由此深入认识第二定律的本质。热力学第二定律的热力学第二定律的微观意义微观意义：一切自然过程总是沿着一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。无序性增大的方向进行。在热力学中，在热力学中，序：区分度。序：区分度。对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。它处于无序的状态。首先理解有序和无序的概念。首先理解有序和无序的概念。一个被隔板分为一个被隔板分为A A、B B相等两部分的容器，装有相等两部分的容器，装有4 4个涂以不同颜色分

16、子。个涂以不同颜色分子。3.3.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）14641开始时，开始时，4 4个分子都在个分子都在A A部，抽出隔板后分子将向部，抽出隔板后分子将向B B部部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4 4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：分子在容器中可能的分布情形如下图所示：微观态共有微观态共有2 24 4=16=16种可能的方式，而且种可能的方式，而且4 4个分子全个分子全部退回到部退回到A A部

17、的可能性即几率为部的可能性即几率为1/21/24 4=1/16=1/16。一般来说，若有一般来说，若有N N个分子，则共个分子，则共2 2N N种可能方式，而种可能方式，而N N个分子全部退回到个分子全部退回到A A部的几率部的几率1/21/2N N.对于真实理想气对于真实理想气体系统体系统N N 10102323/mol/mol，这些分子，这些分子全部退回到全部退回到A A部的几率为部的几率为 。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。对单个分子或少量分子来说，它

18、们扩散到对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B B部的过部的过程原则上是可逆的。程原则上是可逆的。对大量分子组成的宏观系统来说，它们向对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B B部自由部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。的不可逆性在微观上的统计解释。第二定律的统计表述第二定律的统计表述（依然看前例）（依然看前例）4 4个分子在容器中的分布对应个分子在容器中的分布对应5 5种种宏观态。宏观态。分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）左边一列的各种分布仅指出左边一列的各种分布仅指出A

19、A、B B两边各有几个分子，两边各有几个分子，代表的是系统可能的代表的是系统可能的宏观态宏观态。中间各列是详细的分布，。中间各列是详细的分布，具体指明了这个或那个分子各处于具体指明了这个或那个分子各处于A A或或B B哪一边，代表哪一边，代表的是系统的任意一个的是系统的任意一个微观态微观态。一种宏观态对应若干种微观态。一种宏观态对应若干种微观态。在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的？不同的宏观态对应的微观态数不同。不同的宏观态对应的微观态数不同。均匀分布对应的微观态数最多。均匀分布对应的微观态数最多。全部退回全部退回A A边仅对应一种微观态。边仅对应一种微观态。统计物理

20、基本假定统计物理基本假定等几率原理：对于孤立系，各种等几率原理：对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。微观态出现的可能性（或几率）是相等的。各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。定义定义热力学几率热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为：与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为热力学几率。记为 。在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。热力学几率最大

21、，实际观测到的可能性或几率最大。所以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。所以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。即系统最后所达到的平衡态。对于对于10102323个分子组成的宏观系统来说，均匀分布这种个分子组成的宏观系统来说，均匀分布这种宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的热力学几宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的热力学几率的总和相比，此比值几乎或实际上为率的总和相比，此比值几乎或实际上为100%100%。对整个宇宙不适用。对整个宇宙不适用。如布朗运动。如布朗运动。平衡态相应于一定宏观平衡态相应于一定宏观条件下条件下 最大的状态。最大的状态。热力学第二定律的

22、热力学第二定律的统计表述统计表述：孤立系统内部所发生的过程孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状的状态向热力学几率大的状态过渡。态过渡。自然过程总是向着自然过程总是向着使系统热力学几率使系统热力学几率增大的方向进行。增大的方向进行。4.4.热力学第二定律的适用范围热力学第二定律的适用范围注意：注意：微观状态数最微观状态数最大的平衡态状态是最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。混乱、最无序的状态。一切自然过程总是一切自然过程总是沿着无序性增大

23、的沿着无序性增大的方向进行。方向进行。1 1）适用于宏观过程）适用于宏观过程对微观过程不适用，对微观过程不适用，2 2）孤立系统有限范围）孤立系统有限范围。可爱的熵物理学中有个熵定律，也就是著名的热力学第二定律。“熵”的名称是由德国物理学家道尔夫克劳修斯于1868年造出来的，它代表着宇宙中不能再被转化做功的能量的总和的测定单位，即熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。熵本身既不是好事，也不是坏事；它意味着腐败和混乱，但它同时也意味着生命本身的展开不论是有机的，还是无机的生命。卡农、乔治梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，它与热力学第二定律是

24、相符的。热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式；热力学第二定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态。有效能量告罄时，是“热寂”死寂的热平衡状态。有效物质耗尽时，是一片“物质混乱”整个宇宙的大混乱和大混沌。古罗马诗人贺拉斯说：“时间磨灭了世界的价值！”可谓一语道破了熵定律的真谛。物理学家们认为，熵定律是物质世界的最终定律，人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一、第二定律的严密制约；但是，他们又认为熵定律只涉及物质世界，只控制时空的横向世界，人类的精神世界并不受熵定律的专制统治！所以，生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流！人类精神的无限发展，是不可抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟！