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- 2021-05-26 发布
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1
§ 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。
2
§ 一般的解释是: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。
3
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。
4
5
热力学第二定律的
微观解释
6
热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化
过程中必须遵循的规律,但并未限定过程进行的方向。
凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程是
否都能实现呢?
实验表明,自然界中一切与热现象有关的宏观过程都
是有方向性的。
热传导过程
A B A B
例如: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
方向进行的,相反方向的过程不能自动发生,或者说,
如果可以发生,则必然引起其它后果。
7
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
学第二定律来解释。
– 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。
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。
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。
8
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。
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T1
热机
A
吸Q
吸
放吸
Q
QQ ||
1
=0
第二类永动机(单热机)不
能制成。
第二类
永动机
9
高温热源
T1
低温热源T2
吸Q
放Q
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,
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
温物体传到高温物体。
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
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
过程是有方向的。
2、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
不引起其它的变化。
10
1.从开尔文表述入手
假定单热机是可以
造成的,则
高温源 低温源Q
高温热源
T1
低温热源
T2
1Q AQ 2
单热机
2Q
致冷机
高温热源
T1
低温热源
T2
2Q
A
)( 1Q
3、两种表述是统一的
2.从克劳修斯表述入手
高温热源
T1
低温热源
T2
2Q
热机
2Q
A1Q
高温热源
T1 21 QQ
A
单热机
假定热量能
自动地从低温源
传到高温源,则
单热机也能造成。
热力学过程是有方向性的。
11
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,引入可逆过程的概念。
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
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。
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
来的过程称为不可逆过程。
无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。
12
单纯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
不可能自动发生。
A
在热现象中,可逆过程只有在准静态和无摩擦的
条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。
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。
• 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,
达到热平衡。从未发现其反过程,使两物体温差增大。
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可逆传热的条件是:系统和外界温差无限小,即等温
热传导。
• 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没有其它摩擦时,它
却是可逆的。
结论:
1)一切自发过程都是不可逆过程。
2)准静态过程(无限缓慢) +无摩擦的过程是可逆过
程。
3)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
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
不可逆的。
14
可逆过程是理想化的过程。
强调: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
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
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
其它后果。
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:一切与热现象有关
的实际宏观过程都是不可逆的。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。
克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。
15
• 不可逆过程的统计性质(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
由此深入认识第二定律的本质。
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。
在热力学中,序:区分度。
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。
首先理解有序和无序的概念。
一个被隔板分为A、B相等两部分的容器,装有4
个涂以不同颜色分子。
• 热力学第二定律的微观意
义
16
分布
(宏观态)
详细分布
(微观态)
1
4
6
4
1
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:
A B
17
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
为 。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。
231021
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。
18
• 第二定律的统计表述(依然看前例)
4个分子在容器中的分布对应5种
宏观态。
分布
(宏观态)
详细分布
(微观态)
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。
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。
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。
19
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。
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。
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%。
20
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。
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。
§ 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。 21
§ 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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感谢的你的耐心!
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