5　热力学第二定律的微观解释 (3).ppt

一切与热现象有关的宏观自然过程都是有方向的（不可逆）,复习知识:,热力学第二定律,表述一：克劳修斯表述热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,表述二：开尔文表述不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其它影响。,一切与热现象有关的宏观自然过程都是有方向的（不可逆）,热力学第二定律,热力学第二定律的微观解释,1.有序和无序,有序和无序宏观态和微观态,有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。,无序：不符合某种确定规则的称为无序,无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。,有序和无序是相对的,男女各排一列队,有序,男女各排一列队个头从小到大,有序,无序,2.宏观态和微观态,如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的.,对应的微观态越多,宏观态无序程度越大,气体,真空,以气体扩散不可逆性来说明,容器左部气体，右部真空。抽去隔板气体自由膨胀。,有序和无序宏观态和微观态,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：,四种可能的微观态,甲,乙,丙,丁,同一宏观态,同一宏观态,不同的微观态出现的几率相同,宏观态对应的微观态越多,这个宏观态就越无序,无序的宏观态,有序的宏观态,系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。,微观态多,微观态少,一切自然过程总是由微观态较少的宏观态向微观态较多的宏观态进行,功热转换,气体自由膨胀,自发的过程总是从有序向无序,或向无序性增大的方向进行,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,热力学第二定律的微观意义:,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。,比较无序,比较有序,用字母:,表示一个宏观态对应的微观态的数目,用字母:,表示一个宏观态对应的微观态的数目,四.熵,符号:S,K:叫玻耳兹曼常数,越大,熵S也越大,宏观态更无序.,熵的微观意义：系统内分子热运动无序性的量度。,用熵S代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小。热力学第二定律的这一表述称为熵增加原理。,对整个宇宙不适用。,如布朗运动。,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。,自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。,4.热力学第二定律的适用范围,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，,2）孤立系统有限范围,为了研究的方便，玻耳兹曼用一个新的状态函数熵S来表示系统无序性的大小。定义熵与热力学概率之间的关系为：S=kln其中k为玻耳兹曼常量，上式称为玻耳兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式。,用熵S代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵增加的方向进行，它是不可逆的，平衡态相应于熵最大值的状态。热力学第二定律的这一表述称为熵增加原理。,熵的微观意义：系统内分子热运动无序性的量度。,4.熵与熵增加原理,“熵”是什么？“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。,简单的说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。,在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的。,比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。,克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大”。,1、熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。,S=Kln,2、一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。,3、在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。,从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。,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