物理3-3人教版10.5《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》課件3

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歡迎進(jìn)入物理課堂 一個(gè) 妖精 神通廣大 能跟蹤充滿容器的每個(gè)氣體分子的運(yùn)動(dòng) 把這個(gè)容器用一道隔板分為A B兩部分 并在隔板上安裝一個(gè)閥門 當(dāng)閥門打開時(shí)單個(gè)氣體分子可以從容器的一部分經(jīng)過(guò)閥門進(jìn)入另一部分去 假設(shè)這個(gè)容器開始時(shí)完全充滿了一定溫度的氣體 按照熱的動(dòng)力論 一定的溫度對(duì)應(yīng)于分子的一定的平均溫度 因?yàn)闅怏w分子的運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性質(zhì) 有的分子的速度將大于平均值 有的則將小于平均值 妖精在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候打開閥門 讓快的分子從B進(jìn)入A 慢的分子從A進(jìn)入B 結(jié)果不須消耗能量 B部分的溫度就下降 A部分的溫度就上升 熱量可以自發(fā)地從低溫物體流向高溫物體 一般的解釋是 妖精必須得到一些 知識(shí) 才能把 快 分子和 慢 分子區(qū)分開來(lái) 為了獲得這些信息 要不要消耗能量 如果需要 則容器 氣體 隔板 妖精作為封閉系統(tǒng) 為得到所要信息所需的能量 將不大于因利用這一信息而消耗的能量 并沒(méi)有違反熱力學(xué)第二定律 麥克斯韋的妖精能破壞熱力學(xué)第二定律嗎 自發(fā)總是從有序到無(wú)序演化 但是麥克斯韋的妖精可以使其向有序化發(fā)展 酶 就是生命中的麥克斯韋的妖精 而人類全體作為麥克斯韋的妖精 增加著社會(huì)的有序度 畢竟 妖精 用通俗的話說(shuō) 是個(gè)生物 也是個(gè)信息系統(tǒng) 妖精 就是對(duì)宇宙演化的一種抗?fàn)?熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 熱力學(xué)第一定律給出了各種形式的能量在相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中必須遵循的規(guī)律 但并未限定過(guò)程進(jìn)行的方向 凡符合熱一律的過(guò)程 即符合能量守恒的過(guò)程是否都能實(shí)現(xiàn)呢 實(shí)驗(yàn)表明 自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都是有方向性的 熱傳導(dǎo)過(guò)程 例如 氣體的絕熱自由膨脹過(guò)程 這些典型例子說(shuō)明自然界的實(shí)際過(guò)程是按一定的方向進(jìn)行的 相反方向的過(guò)程不能自動(dòng)發(fā)生 或者說(shuō) 如果可以發(fā)生 則必然引起其它后果 熱力學(xué)第一定律無(wú)法對(duì)這類問(wèn)題作出解釋 需要一個(gè)獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律的新的自然規(guī)律 即熱力學(xué)第二定律來(lái)解釋 不可能從單一熱源吸取熱量 使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響 功可以完全變熱 但要把熱完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響是不可能的 1851年開爾文總結(jié)出熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行的限度 1 開爾文表述 以熱機(jī)為例 熱機(jī)的循環(huán)除了熱變功外 還必定有一定的熱量從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?即產(chǎn)生了其它效果 熱全部變?yōu)楣Φ倪^(guò)程也是有的 如 理想氣體等溫膨脹 但這時(shí)引起了其它的變化 開爾文表述否定了熱機(jī)效率能達(dá)百分這百的可能性 高溫?zé)嵩碩1 0 第二類永動(dòng)機(jī) 單熱機(jī) 不能制成 第二類永動(dòng)機(jī) 高溫?zé)嵩碩1 低溫?zé)嵩碩2 與之相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是 當(dāng)兩個(gè)不同溫度的物體相互接觸時(shí) 熱量將自動(dòng)地由高溫物體向低溫物體傳遞 而不可能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體 如果借助制冷機(jī) 當(dāng)然可以把熱量由低溫傳遞到高溫 但要以外界作功為代價(jià) 也就是引起了其它變化 克氏表述指明熱傳導(dǎo)過(guò)程是有方向的 2 克勞修斯表述 熱量不能自動(dòng)地從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌淖兓?1 從開爾文表述入手 假定單熱機(jī)是可以造成的 則 高溫源 低溫源 Q 3 兩種表述是統(tǒng)一的 2 從克勞修斯表述入手 假定熱量能自動(dòng)地從低溫源傳到高溫源 則單熱機(jī)也能造成 熱力學(xué)過(guò)程是有方向性的 2 可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程 為了進(jìn)一步研究熱力學(xué)第二定律的含義和熱力學(xué)過(guò)程方向性問(wèn)題 引入可逆過(guò)程的概念 一個(gè)系統(tǒng) 由一個(gè)狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過(guò)某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài) 如果存在另一個(gè)過(guò)程 它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原 即系統(tǒng)回到原來(lái)狀態(tài) 同時(shí)消除了原過(guò)程對(duì)外界引起的一切影響 則原來(lái)的過(guò)程稱為可逆過(guò)程 單擺運(yùn)動(dòng) 一個(gè)單擺 如果不受空氣阻力及其它摩擦力 當(dāng)它離開某一位置后 經(jīng)過(guò)一個(gè)周期又回到原來(lái)的位置而周圍一切都無(wú)變化 反之 如果物體不能回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)或當(dāng)物體回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)卻無(wú)法消除原過(guò)程對(duì)外界的影響 則原來(lái)的過(guò)程稱為不可逆過(guò)程 無(wú)摩擦和阻力的單擺運(yùn)動(dòng)是一個(gè)可逆過(guò)程 單純的無(wú)機(jī)械能耗散的機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程都是可逆過(guò)程 理想氣體絕熱自由膨脹是不可逆的 在隔板被抽去的瞬間 氣體聚集在左半部 這是一種非平衡態(tài) 此后氣體將自動(dòng)膨脹充滿整個(gè)容器 最后達(dá)到平衡態(tài) 其反過(guò)程由平衡態(tài)回到非平衡態(tài)的過(guò)程不可能自動(dòng)發(fā)生 在熱現(xiàn)象中 可逆過(guò)程只有在準(zhǔn)靜態(tài)和無(wú)摩擦的條件下才有可能 無(wú)摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆的 經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)表明 自然界中真實(shí)存在的過(guò)程都是按一定方向進(jìn)行的 都是不可逆的 理想氣體熱傳導(dǎo)過(guò)程是不可逆的 熱量總是自動(dòng)地由高溫物體傳向低溫物體 從而使兩物體溫度相同 達(dá)到熱平衡 從未發(fā)現(xiàn)其反過(guò)程 使兩物體溫差增大 可逆?zhèn)鳠岬臈l件是 系統(tǒng)和外界溫差無(wú)限小 即等溫?zé)醾鲗?dǎo) 氣體的迅速膨脹過(guò)程是不可逆的 但是當(dāng)氣體膨脹非常緩慢又沒(méi)有其它摩擦?xí)r 它卻是可逆的 結(jié)論 1 一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆過(guò)程 2 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 無(wú)限緩慢 無(wú)摩擦的過(guò)程是可逆過(guò)程 3 一切實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程 可逆過(guò)程是一種理想的極限 只能接近 絕不能真正達(dá)到 因?yàn)?實(shí)際過(guò)程都是以有限的速度進(jìn)行 且在其中包含摩擦 粘滯 電阻等耗散因素 必然是不可逆的 可逆過(guò)程是理想化的過(guò)程 強(qiáng)調(diào) 不可逆過(guò)程不是不能逆向進(jìn)行 而是說(shuō)當(dāng)過(guò)程逆向進(jìn)行時(shí) 逆過(guò)程在外界留下的痕跡不能將原來(lái)正過(guò)程的痕跡完全消除 熱力學(xué)第二定律說(shuō)明了自然界的實(shí)際過(guò)程是按一定的方向進(jìn)行的 是不可逆的 相反方向的過(guò)程不能自動(dòng)發(fā)生 或者說(shuō) 如果可以發(fā)生 則必然引起其它后果 開氏表述實(shí)質(zhì)上在于說(shuō)明功變熱的過(guò)程是不可逆的 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于指出 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的 它所揭示的客觀規(guī)律向人們指出了實(shí)際宏觀過(guò)程進(jìn)行的條件和方向 克氏表述實(shí)質(zhì)上在于說(shuō)明熱傳導(dǎo)過(guò)程是不可逆的 不可逆過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì) 以氣體自由膨脹為例 下面從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)探討過(guò)程的不可逆性微觀意義 并由此深入認(rèn)識(shí)第二定律的本質(zhì) 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行 在熱力學(xué)中 序 區(qū)分度 對(duì)于一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng) 如果處于非平衡態(tài) 我們認(rèn)為它處于有序的狀態(tài) 如果處于平衡態(tài) 我們認(rèn)為它處于無(wú)序的狀態(tài) 首先理解有序和無(wú)序的概念 一個(gè)被隔板分為A B相等兩部分的容器 裝有4個(gè)涂以不同顏色分子 3 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 開始時(shí) 4個(gè)分子都在A部 抽出隔板后分子將向B部擴(kuò)散并在整個(gè)容器內(nèi)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 隔板被抽出后 4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示 微觀態(tài)共有24 16種可能的方式 而且4個(gè)分子全部退回到A部的可能性即幾率為1 24 1 16 一般來(lái)說(shuō) 若有N個(gè)分子 則共2N種可能方式 而N個(gè)分子全部退回到A部的幾率1 2N 對(duì)于真實(shí)理想氣體系統(tǒng)N 1023 mol 這些分子全部退回到A部的幾率為 此數(shù)值極小 意味著此事件永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生 從任何實(shí)際操作的意義上說(shuō) 不可能發(fā)生此類事件 對(duì)單個(gè)分子或少量分子來(lái)說(shuō) 它們擴(kuò)散到B部的過(guò)程原則上是可逆的 對(duì)大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 它們向B部自由膨脹的宏觀過(guò)程實(shí)際上是不可逆的 這就是宏觀過(guò)程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計(jì)解釋 第二定律的統(tǒng)計(jì)表述 依然看前例 4個(gè)分子在容器中的分布對(duì)應(yīng)5種宏觀態(tài) 左邊一列的各種分布僅指出A B兩邊各有幾個(gè)分子 代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài) 中間各列是詳細(xì)的分布 具體指明了這個(gè)或那個(gè)分子各處于A或B哪一邊 代表的是系統(tǒng)的任意一個(gè)微觀態(tài) 一種宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)若干種微觀態(tài) 不同的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)不同 均勻分布對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多 全部退回A邊僅對(duì)應(yīng)一種微觀態(tài) 統(tǒng)計(jì)物理基本假定 等幾率原理 對(duì)于孤立系 各種微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性 或幾率 是相等的 各種宏觀態(tài)不是等幾率的 那種宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)多 這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就大 定義熱力學(xué)幾率 與同一宏觀態(tài)相應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學(xué)幾率 記為 在上例中 均勻分布這種宏觀態(tài) 相應(yīng)的微觀態(tài)最多 熱力學(xué)幾率最大 實(shí)際觀測(cè)到的可能性或幾率最大 所以 實(shí)際觀測(cè)到的總是均勻分布這種宏觀態(tài) 即系統(tǒng)最后所達(dá)到的平衡態(tài) 對(duì)于1023個(gè)分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率的總和相比 此比值幾乎或?qū)嶋H上為100 對(duì)整個(gè)宇宙不適用 如布朗運(yùn)動(dòng) 平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下 最大的狀態(tài) 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)表述 孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過(guò)程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過(guò)渡 從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過(guò)渡 自然過(guò)程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進(jìn)行 4 熱力學(xué)第二定律的適用范圍 注意 微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂 最無(wú)序的狀態(tài) 一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行 1 適用于宏觀過(guò)程對(duì)微觀過(guò)程不適用 2 孤立系統(tǒng)有限范圍 可愛(ài)的熵物理學(xué)中有個(gè)熵定律 也就是著名的熱力學(xué)第二定律 熵 的名稱是由德國(guó)物理學(xué)家道爾夫 克勞修斯于1868年造出來(lái)的 它代表著宇宙中不能再被轉(zhuǎn)化做功的能量的總和的測(cè)定單位 即熵的增加表示宇宙物質(zhì)的日益混亂和無(wú)序 是無(wú)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(shí)也意味著生命本身的展開 不論是有機(jī)的 還是無(wú)機(jī)的生命 卡農(nóng) 喬治 梅特勒的大爆炸學(xué)說(shuō)也認(rèn)為 宇宙是以有序的狀態(tài)開始 不斷地向無(wú)序狀態(tài)發(fā)展 它與熱力學(xué)第二定律是相符的 熱力學(xué)第一定律說(shuō)明能量是守恒的 不滅的 只能從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式 熱力學(xué)第二定律 熵定律 卻表明 能量不可逆轉(zhuǎn)地沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)化 即從對(duì)人類來(lái)說(shuō)是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài) 有效能量告罄時(shí) 是 熱寂 死寂的熱平衡狀態(tài) 有效物質(zhì)耗盡時(shí) 是一片 物質(zhì)混亂 整個(gè)宇宙的大混亂和大混沌 古羅馬詩(shī)人賀拉斯說(shuō) 時(shí)間磨滅了世界的價(jià)值 可謂一語(yǔ)道破了熵定律的真諦 物理學(xué)家們認(rèn)為 熵定律是物質(zhì)世界的最終定律 人類參與的每一項(xiàng)物質(zhì)活動(dòng)都受到熱力學(xué)第一 第二定律的嚴(yán)密制約 但是 他們又認(rèn)為熵定律只涉及物質(zhì)世界 只控制時(shí)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 所以 生命的現(xiàn)象是宇宙洪流中的一股逆流 人類精神的無(wú)限發(fā)展 是不可抗拒的熵增大長(zhǎng)河中的一條逆流之舟 感謝的你的耐心 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全