热力学第二定律的统计解释.ppt

熵和熵增加原理的微观意义 2 一不可逆与无序 不可逆性的微观本质 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 3 自发转化为 为化转发自能不 大量分子的有序运动 大量分子的无序运动 方向 向更加无序状态方向自发进行 热功转换 4 初态 两个温度不同的系统 热传导 末态 温度相同的系统 温度是分子无序运动平均动能大小的量度 初态 两个系统平均动能不同 分子运动无序 但仍可区分 末态 两个系统平均动能相同 分子运动无序 也不可区分 即更加无序 方向 向无序性增大的方向自发进行 5 气体绝热自由膨胀 方向 向更加无序的状态方向自发进行 6 如何定量的描述无序度 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 不可逆过程的微观本质 热力学第二定律只适用于大量分子的体系 7 二无序度与热力学概率 1 宏观状态数和微观状态数 玻耳兹曼认为 从微观上看 对于一个系统的状态的宏观描述是非常不完善的 系统的同一个宏观状态实际上可能对应于非常非常多的微观状态 而这些微观状态是粗略的宏观描述所不能加以区别的 8 微观状态 微观上看 对系统内的个体加以区分的状态 宏观状态 从总体上观察 而对系统个体不予区分的状态 9 4个可分辨的粒子在容器中的位置分布 10 11 12 N 20 宏观态所对应的微观态数 左20右0和左0右20两种宏观状态各有1个微观状态 表明20个分子全部处于左 或右 中的概率最小为 13 14 N 1023个可分辨的粒子在容器中的位置分布 粒子数分布均匀的宏观态所对应的微观态的数目最多 其比例几乎是所有可能的微观态数的百分之百 15 若对热力学系统进行观察 我们看到的将总是粒子数分布均匀的宏观态粒子数分布均匀的宏观态对应于热力学中的平衡态 对应微观状态数目多的宏观状态出现的概率大 2 微观状态数与热力学概率 某一宏观状态所对应的微观状态数目称为该宏观状态的热力学概率 用W表示 平衡态 热力学概率W取最大值的宏观态 16 3 无序度和热力学概率 粒子数分布均匀的或近似均匀的宏观状态就是比较混乱或无序的状态 一个宏观态的热力学概率就是无序度的量度 因此 17 总结 18 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 从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡 它涉及大量分子的运动的无序性变化的规律 热力学第二定律是一条统计规律 4热力学第二定律的统计表述 19 三玻尔兹曼熵公式 1877年 玻耳兹曼引入熵 Entropy 表示系统无序性的大小 S lnW 1900年 普朗克引入系数k 玻耳兹曼常数 玻耳兹曼熵公式 S klnW 20 2 熵是孤立系统的无序度的量度 平衡态熵最大 W愈大 S愈高 系统有序度愈差 1 熵的概念建立 使热力学第二定律得到统一的定量的表述 21 3 熵增加原理 若一个系统的热力学概率由W1变至W2 系统熵的增量为 孤立系统熵增加过程是系统热力学概率增大的过程 即无序度增大的过程 是系统从非平衡态趋于平衡态的过程 是一个不可逆过程 22 关于热寂说所谓 热寂说 如果将整个宇宙看成一个孤立的系统 那么由于孤立系统的一切自发过程都是熵增的 一直到达熵值极大 这时整个宇宙就趋于热平衡而进入热寂 即整个宇宙的热运动停止了 表明整个宇宙好像是 一潭死水 23 对于 热寂 的批判 以前都是建立在静态宇宙模型上的 因此这种批判是感情色彩多于理性思考 现在的宇宙理论是动态的 即宇宙是处在远离平衡态的 且在宇宙中万有引力扮演着重要角色 因此将平衡态热力学定律直接应用于宇宙的演化上肯定是不妥的 24 人们发现无机界 无生命的世界总是从有序向无序变化 但生命现象却越来越有序 生物由低级向高级发展 进化 以致出现人类这样高度有序的生物 意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论 解释了这个问题 原来生命是一开放系统 其熵变由两部分组成 25 和外界有能量交换和物质交换的系统叫开放系统 开放系统的熵变 开放系统熵的变化 26 END 开放系统熵的变化 系统的熵变dS 0 系统的有序度增加 系统就可能进化 27 从熵流中获取负熵 从而使系统在较高层次保持有序 正象薛定谔指出 28 总结 热力学第二定律