5　热力学第二定律的微观解释

1、第五节热力学第二定律的微观解释，第十章热力学定律，1 .秩序和无序、秩序：确定某一规则，符合该规则的称为秩序。 无秩序：不符合某一确定规则的称为无秩序。 无秩序是指各地相同、平均、无差别、秩序相反的意思。 秩序和无秩序是相对的。 2 .宏观状态和微观状态、宏观状态：符合某些规定、规则的状态称为热力学系统的宏观状态。 微观状态：微观状态，符合其他规定、规则的状态称为该微观状态的微观状态。 与系统的宏观状态相对应的微观状态的多少表现为宏观状态无序度的大小。 一个“宏观状态”所对应的“微观状态”比较多的话，这个“宏观状态”就比较无序，同时宏观过程的方向性也由有序决定到无序。 不可逆过程的统一性质(以

2、气体自由膨胀为例)，其次从统一的角度探讨过程的不可逆微观意义，从而深入认识第二定律的本质。 热力学第二定律的微观意义：所有的自然过程总是沿着无序增大的方向进行。 在热力学中，顺序：区分度。 在热力学系统中，如果是非平衡状态，则认为处于有序状态，如果是平衡状态，则认为处于无序状态。 由分隔板将a、b分为相等的2个部分的容器，装有4个涂有不同颜色的分子。3、热力学第二定律的统一意义、热力学第二定律的微观意义，开始，4个分子都在a部，拔出隔板后，分子向b部扩散，在容器内不规则地移动。 隔板被拔出后，4分子在容器中可能的分布情况如下图所示：微观状态有24=16种可能的方式，并且4分子全部复盖a部的可能

3、性即概率为1/24=1/16。 一般来说，如果有n个分子，总共有2N种可能的方式，但n个分子全部落入a部的概率是1/2N .相对于真正理想的气体系统N1023/mol，这些分子全部落入a部的概率是。 这个值非常小，意味着这个事件永远不会发生。 这种事件不能发生在任何实际操作的意义上。 对于个别分子和少量分子来说，它们向b部扩散的过程原则上是可逆的。 在由大量分子组成的宏观系统中，它们在b部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。 这就是宏观过程不可逆性的微观统一修订解释。 第二定律的统一表示(仍见前例)，4个分子在容器中的分布对应于5个宏观状态。 左列的各种分布只表示a、b两侧各有一些分子，表示系

4、统可能的宏观状态。 中央的各列是详细的分布，具体地表示这个或者其分子分别在a或者b的哪一侧，表示系统的任意的微观状态。 一个宏观状态对应于多个微观状态。 对应的微观状态数因宏观状态而不同。 与均匀分布对应的微观状态数最多。 全部门到a边只对应一个微观状态。 概率原理，例如集成物理基本假设：对于孤立系统，各种微观状态出现的可能性(或概率)相等。 各种宏观状态不是等概率的。 在该宏状态中包含的微观(micro )状态数多，出现该宏状态的可能性高。 定义热力学概率：根据相同宏观状态的微观状态数称为热力学概率。 记作。 在上面的例子中，对于均匀分布的宏观状态，相应的微观状态最多，热力学概率最高，实际观

5、测的可能性和概率最高。 因此，实际观测到的总是均匀分布的宏观状态。 系统最后达到的平衡状态。 对于由1023分子构成的宏观系统，使该宏观状态均匀分布的热力学概率与各种可能的宏观状态的热力学概率的总和相比，大致或实际上是100%。 不适合整个宇宙。 就像布朗运动，平衡状态在一定的宏观条件下对应最大的状态。热力学第二定律的统一表示：孤立系统内部产生的过程总是从微观状态数少的宏观状态转变为微观状态数多的宏观状态，从热力学概率小的状态转变为热力学概率大的状态。 自然过程总是向增大系统热力学概率的方向发展。 4、热力学第二定律的适用范围，注意：微观态数最大的平衡态是最混乱、最无序的状态。 一切自然过程总

6、是沿着无序增大的方向进行。 (1)宏观过程中不适用于微观过程；(2)孤立系统的有限范围。 4 .熵和熵的增加原理，“熵”是什么？ “熵”是德国物理学家克劳狄在1850年创造的用语，用熵来表示空间中的能量分布的均匀性。 能量分布越均匀，熵就越大。 对于我们所认为的系统来说，能量完全均匀分布的话，这个系统的熵就会达到最大值。 简单来说，“熵”是微观粒子的无序度、能量差的消除度。 克劳狄说，在封闭系统中，运动总是从有序向无序发展。 例如，把冰糖放在水里，整个水就会变甜。 也就是说，糖分子的运动扩展到整个水中，这些运动变得更加无序。 在闭合的系统中，能量差也总是有消除的倾向。 例如，如果连接两个有水头

7、差的水库，重力会降低一个水库的水面，提高另一个水库的水面，直到两个水库的水面变得均等，位能变平。 克劳狄总结说，自然界的普遍规律之一是，运动总是从有序到无序，能量差异总是有均等的倾向，即“熵随时间增大”。 熵是与系统内相同的状态函数，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)程度的定量尺度。 S=Kln，一个系统的熵随系统状态的变化而变化。 在自然过程中，系统的熵值在增加。 在绝热过程和孤立系统中，熵增加，称为熵增加原理。 在其他情况下，系统的熵可能增加或者减少。 从微观角度看，热力学的第二定律是统一定律：孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，熵值大表示无序，

8、因此自发宏观过程总是向无序度大的方向发展。 可爱的熵物理学有熵定律，即萩名的热力学第二定律。 熵的增加代表了宇宙物质的日常混乱和无序，是无效能量的总和。 熵本身不是好事也不是坏事，意味着腐败和混乱，但生命本身的发展既有机也无机。 卡农，乔治梅特勒的大爆炸说也认为宇宙从有序状态开始，不断向无序状态发展，与热力学的第二定律一致。 热力学的第一定律表示能量得以保存并且不死，只能从一种形式转移到另一种形式的热力学的第二定律(熵定律)表示能量不可逆转地向一个方向变化，即，从对人类来说可用的状态变化到不可用的状态。 当有效能量耗尽时，“热沉默”处于寂寞的热平衡状态。 有效物质枯竭的时候，使宇宙全体“物质混

9、乱”的大混乱和大混乱。 古罗马诗人贺拉斯说：“时间消失了世界的价值！ 可以说用一个词打破了熵定律的真正意义。物理学家们认为熵定律是物质世界的最终定律，人类参与的所有物质活动都受到热力学第一、第二定律的严格制约，但他们认为熵定律只关系到物质世界，只控制时空横向的世界，人类的精神世界受到熵定律的独裁统治人类精神的无限发展，是不可抵抗的熵增大河中逆流的船冰箱能够不断地从温度低的冰箱内部向温度高的外部空气传递热量，这是因为在a热量能够自发地从低温物体传递到高温物体b的条件下， 热能传递到低温物体c的传递过程没有方向性，在自发条件下传递热的过程有方向性或扩散时，气体总是从密度大的地方向密度小的地方扩散。

10、 如果在外部的帮助下气体能够从密度大的地方扩散到密度小的地方，热量就会从低温物体传递到高温物体，冰箱通过外力的作用从低温物体冷冻食品传递到高温物体周围的大气。 因此，在回答热力学过程的方向问题时，需要区分是自发过程还是非自发过程，冰箱内的传热过程与外部相关。 本问题的答案是a错b对c错d对。 BD，2.1个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。 系统的熵是如何变化的？ 解析：由于物体受到摩擦力而停止运动，其动能成为系统的内部能量，增加系统分子的不规则运动程度，强化不规则运动，即增加系统的无序程度，因此系统的熵增加。 3 .下一个熵的错误是，a熵是物体内分子运动无序度的尺度b是孤立系中，由于自发过程

11、总是向熵减少的方向，而c热力学第二定律的微观实质是熵增加，所以热力学第二定律的熵增加原理d熵值越大代表系分子运动无序如：工作变热是机械能或电能变为内能的过程是大量分子的有序运动变为无序运动，汽缸内的气体使活塞运动而工作的气体分子有序运动，排出汽缸后就越来越无序物理学热力学第二定律可以表现为熵：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵都不减少，即，一个孤立系统的熵总是从小熵向大熵发展。 反映孤立系统的自然过程向分子热运动的无序性增大的方向发展。b，4 .有序和无序正确意味着() a有序和无序不是绝对的b一个“宏观状态”可能对应许多“微观状态”c一个“宏观状态”的唯一“微观状态”d无序在各地相同，平均

12、，没有差别。 以下的说法是，() a内能够自发地转换为机械能b扩散的过程是完全可逆的c火力发电的情况下，在燃烧物质内不能转换为电能d的热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，CD，6 .倒入热水加入适当的糖，糖全部溶解在水中，但是暂时关于这个过程，下述的正确的是，() a溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，所以热力学的第二定律是错误的b溶解过程是从有序向无序的转变过程c结晶过程是从有序向无序的转变过程d结晶过程不是自发的，而是有外界的影响，所以，BD，7 .以下的说法是() 如果a多个分子的集合从a分布进入b分布的概率大于从b分布进入a分布的概率，则如果b分布更无序b多个分子的集合从a分布进

13、入b分布的概率大于进入b分布的概率， a分布更无序c多个分子的集合自发地从a分布进入b分布的这个过程是可逆的d多个分子的集合自发地从a分布进入b分布的话，这个过程是不可逆的，AD，8 .密闭的容器内有稀薄的气体，容器上一开小口外部的空气就会流入容器， 在气体流入过程中接近容器内开口的空气密度暂时大于内部，以下说明正确的最无序状态b的外界影响破坏了容器内气体的平衡c，热力学第二定律仅适用于封闭系统d并不一定是对开放系统最无序的分布，BCD， 9 .以下说法正确的是： () a热力学第二定律只在一定前提条件下成立的b热力学第二定律是所有自然过程始终沿着分子热运动的无序性增大的方向进行c能耗散，从能量转化的角度看自然界