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1、熱力學第二定律指出，一切與熱現象有關的實際熱力學第二定律指出，一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。在一定條件下，系統(tǒng)有宏觀過程都是不可逆的。在一定條件下，系統(tǒng)有從非平衡狀態(tài)過渡到平衡狀態(tài)的自然傾向，這種從非平衡狀態(tài)過渡到平衡狀態(tài)的自然傾向，這種傾向總是單向不可逆的。從微觀上看，過程的不傾向總是單向不可逆的。從微觀上看，過程的不可逆性與系統(tǒng)的大量分子的無規(guī)則運動是分不開可逆性與系統(tǒng)的大量分子的無規(guī)則運動是分不開的。今以的。今以氣體向真空的自由膨脹氣體向真空的自由膨脹為例，用微觀的為例，用微觀的統(tǒng)計平均方法統(tǒng)計平均方法 ，從本質上說明熱力學第二定律的，從本質上說明熱力學第二定律的統(tǒng)計意義。
2、統(tǒng)計意義。 .有序和無序有序和無序 有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的 就叫做有序。就叫做有序。 無序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無序。無序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無序。 無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。有序和無序是相對的。序則相反。有序和無序是相對的。熱力學第二定律的微觀意義熱力學第二定律的微觀意義2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱 力學系統(tǒng)的宏觀態(tài)。力學系統(tǒng)的宏觀態(tài)。微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)微觀
3、態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī) 則的狀態(tài)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)則的狀態(tài)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的多少表現為宏系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的多少表現為宏觀態(tài)無序程度的大小。如果一個觀態(tài)無序程度的大小。如果一個“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”對對應的應的“微觀態(tài)微觀態(tài)”比較多，就說這個比較多，就說這個“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性性從有序到無序從有序到無序。 熱力學第二定律的熱力學第二定律的微觀意義微觀意義：一切自然過程總是沿著一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。無序性增大的方向進行。 一個被隔板分為一個被隔板分
4、為A A、B B相等兩部分的容器，裝有相等兩部分的容器，裝有4 4個個涂以不同顏色分子。涂以不同顏色分子。3.3.熱力學第二定律的統(tǒng)計意義熱力學第二定律的統(tǒng)計意義開始時，開始時，4 4個分子都在個分子都在A A部，抽出隔板后分子將向部，抽出隔板后分子將向B B部擴部擴散并在整個容器內無規(guī)則運動。隔板被抽出后，散并在整個容器內無規(guī)則運動。隔板被抽出后，4 4分子分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：在容器中可能的分布情形如下圖所示：AB 14641AB 分布分布（宏觀態(tài)）（宏觀態(tài)）詳細分布詳細分布（微觀態(tài)）（微觀態(tài)） 微觀態(tài)共有微觀態(tài)共有2 24 4=16=16種可能的方式，而且種可能的方式，而
5、且4 4個分子全個分子全部退回到部退回到A A部的可能性即幾率為部的可能性即幾率為1/21/24 4=1/16=1/16。 一般來說，若有一般來說，若有N N個分子，則共個分子，則共2 2N N種可能方式，而種可能方式，而N N個分子全部退回到個分子全部退回到A A部的幾率部的幾率1/21/2N N. .對于真實理想氣體對于真實理想氣體系統(tǒng)系統(tǒng)N N 10102323/mol/mol，這些分子，這些分子全部退回到全部退回到A A部的幾率部的幾率為為 。此數值極小，意味著此事件永遠不會發(fā)生。此數值極小，意味著此事件永遠不會發(fā)生。從任何實際操作的意義上說，不可能發(fā)生此類事件。從任何實際操作的意義上
6、說，不可能發(fā)生此類事件。231021 對單個分子或少量分子來說，它們擴散到對單個分子或少量分子來說，它們擴散到B B部的過部的過程原則上是可逆的。程原則上是可逆的。 對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向B B部自由膨部自由膨脹的宏觀過程實際上是不可逆的。這就是宏觀過程的不脹的宏觀過程實際上是不可逆的。這就是宏觀過程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計解釋?？赡嫘栽谖⒂^上的統(tǒng)計解釋。第二定律的統(tǒng)計表述第二定律的統(tǒng)計表述（依然看前例）（依然看前例） 4 4個分子在容器中的分布對應個分子在容器中的分布對應5 5種種宏觀態(tài)。宏觀態(tài)。分布分布（宏觀態(tài)）（宏觀態(tài)）詳細分布詳細分布（
7、微觀態(tài)）（微觀態(tài)） 左邊一列的各種分布僅指出左邊一列的各種分布僅指出A A、B B兩邊各有幾個分子，兩邊各有幾個分子，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細的分布，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細的分布，具體指明了這個或那個分子各處于具體指明了這個或那個分子各處于A A或或B B哪一邊，代表哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個微觀態(tài)。的是系統(tǒng)的任意一個微觀態(tài)。一種宏觀態(tài)對應若干種微觀態(tài)。一種宏觀態(tài)對應若干種微觀態(tài)。不同的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數不同。不同的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數不同。均勻分布對應的微觀態(tài)數最多。均勻分布對應的微觀態(tài)數最多。全部退回全部退回A A邊僅對應一種微觀態(tài)。邊僅對應一種微觀
8、態(tài)。第二定律的統(tǒng)計表述第二定律的統(tǒng)計表述（依然看前例）（依然看前例）分布分布（宏觀態(tài)）（宏觀態(tài)）詳細分布詳細分布（微觀態(tài)（微觀態(tài)）在一定的宏觀條件下，各種可能的宏觀態(tài)中哪一種在一定的宏觀條件下，各種可能的宏觀態(tài)中哪一種是實際所觀測到的？是實際所觀測到的？ 實際看到的宏觀狀態(tài)是實際看到的宏觀狀態(tài)是對應著微觀態(tài)最多的一種對應著微觀態(tài)最多的一種有序狀態(tài)對應的微觀態(tài)的較少，無有序狀態(tài)對應的微觀態(tài)的較少，無序狀態(tài)對應的微觀態(tài)較多，自發(fā)的序狀態(tài)對應的微觀態(tài)較多，自發(fā)的過程總是傾向于出現與較多微觀態(tài)過程總是傾向于出現與較多微觀態(tài)對應的宏觀態(tài)，對應的宏觀態(tài)，故：一切自然過程總是沿著分子熱故：一切自然過程總是沿
9、著分子熱運動的無序性增大的方向進行。運動的無序性增大的方向進行。統(tǒng)計物理基本假定統(tǒng)計物理基本假定-等幾率原理：對于孤立系，各等幾率原理：對于孤立系，各種微觀態(tài)出現的可能性（或幾率）是相等的。種微觀態(tài)出現的可能性（或幾率）是相等的。各種宏觀態(tài)不是等幾率的。哪種宏觀態(tài)包含的微觀各種宏觀態(tài)不是等幾率的。哪種宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數多，這種宏觀態(tài)出現的可能性就大。態(tài)數多，這種宏觀態(tài)出現的可能性就大。定義定義熱力學幾率熱力學幾率：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數稱為：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數稱為熱力學幾率。記為熱力學幾率。記為 。 所以，實際觀測到的總是所以，實際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)均勻分布這種宏觀態(tài)
10、。即系統(tǒng)最后所達到的平衡態(tài)。即系統(tǒng)最后所達到的平衡態(tài)。 為了便于理論上處理，玻耳茲曼用一個新為了便于理論上處理，玻耳茲曼用一個新的狀態(tài)函數的狀態(tài)函數熵熵 S來表示系統(tǒng)無序性的大小來表示系統(tǒng)無序性的大小。定義熵與熱力學概率之間的關系為：定義熵與熱力學概率之間的關系為： S=kln 其中其中k為玻耳茲曼常量，上式稱為玻耳茲為玻耳茲曼常量，上式稱為玻耳茲曼關系式或玻耳茲曼熵公式。曼關系式或玻耳茲曼熵公式。用熵用熵 S 代替熱力學概率后，熱力學第二定律可以代替熱力學概率后，熱力學第二定律可以表述為：表述為：在孤立系統(tǒng)中進行的自發(fā)過程總是沿著在孤立系統(tǒng)中進行的自發(fā)過程總是沿著熵增加的方向進行，它是不可逆
11、的，平衡態(tài)相應熵增加的方向進行，它是不可逆的，平衡態(tài)相應于熵最大值的狀態(tài)于熵最大值的狀態(tài)。熱力學第二定律的這一表述。熱力學第二定律的這一表述稱為稱為熵增加原理熵增加原理。 “熵熵”的名稱是由德國物理學家道爾夫的名稱是由德國物理學家道爾夫克勞修斯于克勞修斯于1868年造出來的，它代表著宇宙中不能再被轉化做功的能量年造出來的，它代表著宇宙中不能再被轉化做功的能量的總和的測定單位，即熵的增加表示宇宙物質的日益混的總和的測定單位，即熵的增加表示宇宙物質的日益混亂和無序，是無效能量的總和。熵本身既不是好事，也亂和無序，是無效能量的總和。熵本身既不是好事，也不是壞事；它意味著腐敗和混亂，但它同時也意味著生
12、不是壞事；它意味著腐敗和混亂，但它同時也意味著生命本身的展開命本身的展開不論是有機的，還是無機的生命?？ú徽撌怯袡C的，還是無機的生命?？ㄞr、喬治農、喬治梅特勒的大爆炸學說也認為，宇宙是以有序梅特勒的大爆炸學說也認為，宇宙是以有序的狀態(tài)開始，不斷地向無序狀態(tài)發(fā)展，它與熱力學第二的狀態(tài)開始，不斷地向無序狀態(tài)發(fā)展，它與熱力學第二定律是相符的。熱力學第一定律說明能量是守恒的、不定律是相符的。熱力學第一定律說明能量是守恒的、不滅的，只能從一種形式轉變到另一種形式；熱力學第二滅的，只能從一種形式轉變到另一種形式；熱力學第二定律（熵定律）卻表明：能量不可逆轉地沿著一個方向定律（熵定律）卻表明：能量不可逆轉地
13、沿著一個方向轉化，即從對人類來說是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài)。轉化，即從對人類來說是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài)。 有效能量告罄時，是有效能量告罄時，是“熱寂熱寂”死寂的熱平衡狀態(tài)。死寂的熱平衡狀態(tài)。有效物質耗盡時，是一片有效物質耗盡時，是一片“物質混亂物質混亂”整個宇宙整個宇宙的大混亂和大混沌。的大混亂和大混沌。古羅馬詩人賀拉斯說：古羅馬詩人賀拉斯說：“時間磨滅了世界的價值！時間磨滅了世界的價值！”可謂一語道破了熵定律的真諦?？芍^一語道破了熵定律的真諦。物理學家們認為，熵定律是物質世界的最終定律，物理學家們認為，熵定律是物質世界的最終定律，人類參與的每一項物質活動都受到熱力學第一、第人類參與的每一項物質活動都受到熱力學第一、第二定律的嚴密制約；但是，他們二定律的嚴密制約；但是，他們又認為熵定律只涉及物質世界，只控制時空的橫向又認為熵定律只涉及物質世界，只控制時空的橫向世界，人類的精神世界并不受熵定律的專制統(tǒng)治！世界，人類的精神世界并不受熵定律的專制統(tǒng)治！所以，生命的現象是宇宙洪流中的一股逆流！所以，生命的現象是宇宙洪流中的一股逆流！人類精神的無限發(fā)展，是不可抗拒的熵增大長河中人類精神的無限發(fā)展，是不可抗拒的熵增大長河中的一條逆流之舟！的一條逆流之舟！
浙江省桐鄉(xiāng)市高考物理一輪復習 熱力學第二定律微觀解釋課件
