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热力学第二定律的微观解释_图文

热力学第二定律的 微观解释

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?热力学第二定律的微观意义

3.热力学第二定律的统计意义

首先理解有序和无序的概念。 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 它处于无序的状态。 在热力学中,序:区分度。 热力学第二定律的微观意义:一切自然过程总是沿着 无序性增大的方向进行。 下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义,并 由此深入认识第二定律的本质。 不可逆过程的统计性质(以气体自由膨胀为例) 一个被隔板分为A、B相等两部分的容器,装有4 2 个涂以不同颜色分子。

?

开始时,4个分子都在A部,抽出隔板后分子将向B部 扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后,4 分子在容器中可能的分布情形如下图所示:
分布 详细分布 (宏观态) (微观态)
A B

? 1

4

6

4 1
3

微观态共有24=16种可能的方式,而且4个分子全 部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16。 一般来说,若有N个分子,则共2N种可能方式,而 N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气 体系统N?1023/mol,这些分子全部退回到A部的几率 23 10 为 1 2 。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。 对单个分子或少量分子来说,它们扩散到B部的过 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B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 的不可逆性在微观上的统计解释。 4

?第二定律的统计表述(依然看前例)
左边一列的各种分布仅指出A、B两边各有几个分子, 代表的是系统可能的宏观态。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A或B哪一边,代表 的是系统的任意一个微观态。 分布 4个分子在容器中的分布对应5种 宏观态。 一种宏观态对应若干种微观态。 不同的宏观态对应的微观态数不同。
(宏观态) 详细分布 (微观态)

均匀分布对应的微观态数最多。 全部退回A边仅对应一种微观态。
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?

5

统计物理基本假定—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。 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。 定义热力学几率:与同一宏观态相应的微观态数称为 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, 热力学几率最大,实际观测到的可能性或几率最大。 对于1023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 率的总和相比,此比值几乎或实际上为100%。 所以,实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。 6 即系统最后所达到的平衡态。

平衡态相应于一定宏观 条件下? 最大的状态。

热力学第二定律的统计表述: 孤立系统内部所发生的过程 总是从包含微观态数少的宏 观态向包含微观态数多的宏 观态过渡,从热力学几率小 的状态向热力学几率大的状 态过渡。 4.热力学第二定律的适用范围

自然过程总是向着 使系统热力学几率 增大的方向进行。

注意:微观状态数最 大的平衡态状态是最 混乱、最无序的状态。
一切自然过程总是 沿着无序性增大的 方向进行。

1)适用于宏观过程对微观过程不适用, 如布朗运动。

2)孤立系统有限范围。 对整个宇宙不适用。

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? 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。 8

? 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!
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放一些较为平整的大石头,然后踩着这些俗称“踏石”的石头过河。在小河的东侧,原本是有一条骡马大道的。由于南便桥在盛夏时节偶 尔会被暴雨后的洪水冲毁,这多多少少让那些外乡来客感到有些不太方便。于是,越来越多的人就干脆绕点儿路顺着小河的西边儿走了。 老话说得好:世上的路都是人走出来的。如此,那条骡马大道就不知不觉地从小河的东侧给转移到小河西侧去了。东侧的骡马大道冷清下 来后,就不断地有野草疯长,几乎长满了整个路面。于是,那些原先就在路边上种地的乡民们,就把杂草铲除掉,把一部分路面也开垦成 了土地,种上了各种各样的作物。几年过后,原先的那条宽阔的骡马大道,就慢慢地变成一条小便道了。离小河西岸大约百多步远是一大 片高地。高地上七高八低的,从来没有人耕种,只是自然生长着一些杂七杂八的小灌木和杂草什么的。高地上的土细细的、绵绵的、浅茶 色,没有一点儿沙砾和碎石,是取之不尽用之不绝的上好黏土。虽然土质不利于农作物和高大乔木的生长,但却是烧窑的好材料。于是, 有人就沿着河边一溜儿建起三个很大的砖瓦窑。砖瓦窑的师傅们手艺十分了得,方砖、长砖、通瓦、板瓦、猫头、兽头都可以烧制出来, 而且质量很好。专业工匠和众多窑工们用不同的模具脱制各种原坯,成片成片地摆放在宽阔的场地上,等待自然晾干后再装窑烧制。如果 来不及烧制,窑主就会让窑工们把剩余的原坯整整齐齐地码放在砖瓦窑旁边的一大溜儿宽敞的板房里。因此,每逢秋末冬初,这些板房里 总会存满了各种各样的干坯。这样,即使是严冬时节泥水不粘了不能再脱制原坯的时候,这三个砖瓦窑也一准儿有得干坯烧窑烧制期间, 高高的烟囱里冒出来的滚滚浓烟像一条长龙在空中舞动,十分壮观。烧制好后,为了使滚烫的成品尽早凉下来以便于出窑,窑工们就向窑 里泼洒河水为其降温。每当这时候,砖瓦窑的上方蒸汽弥漫热浪翻滚,袅袅上升后再慢慢散开,更是一番恍若仙境的奇妙景观。降温之后 的各种成品,由窑工们一趟又一趟地从窑里背出来,再一层一层地分类码放在砖瓦窑的旁边,供镇子上或者周围村子的人们来选择购买。 沿着小河北上走一里多后往东北方向拐,再走百多步的样子,就差不多在小镇的正北面了,这里有一座馒头状的青石山。每逢农闲季节, 小镇上的一些壮年汉子们就会组织起来一哨人马,用土制炸药来这里开山炸石。炸开的石头稍做修整后就堆放在一边,等待那些盖房子的 人家来买了。沿着小河南下,在离小镇一里多远的小河边儿上,靠小镇这一侧有一个小树林。树林子虽然没有多大,也就三十多亩的样子, 但在这条小河水的滋润下,杨树、榆树、槐树、柳树、椿树、桑树、泡桐树在这里争先恐后地生长着,远远望


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