读热力学第二定律与熵变的宏观解释有感

读《热力学第二定律与熵变的宏观解释》有感

水文二班张树磊 0914210212

通过对达瑞先生《热力学第二定律与熵变的宏观解释》的学习，我对热力学第二定律以及熵这个概念有了新的认识和理解。

热力学第二定律最常见的两种表述是克劳修斯表述和开尔文表述. 克氏表述指出:热传导过程是不可逆的. 开氏表述指出:功变热的过程是不可逆的. 两种表述其实就是分别挑选了一种典型的不可逆过程,指出它所产生的效果不论用什么方法也不可能使系统完全恢复原状,而不引起其他变化. 但不论具体的表达方式如何,热力学第二定律的实质在于:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的, 并指出了这些过程自发进行的方向.

从统计物理学的角度来看,熵是系统中微观粒子无规运动的混乱程度的量度,或者说是微观粒子热运动所引起的无序性的定量量度,混乱度越大熵就越大. 热力学第二定律的统计意义是:一个不受外界影响的“孤立系统”,其内部发生的过程,总是由几率小的状态向几率大的状态进行,由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行,由“有序”状态向“无序”状态进行. 一个宏观状态可以包含多个微观状态. 对于孤立系统(总能量、总分子数一定) ,所有微观状态是等几率的. 这就是统计物理学的一个基本假设———玻尔兹曼等几率原理. 哪一个宏观状态包含的微观状态数目多,这个宏观状态出现的机会就大. 为此,提出了热力学几率的概念:与任一给定的宏观状态相对应的微观状态数, 叫做该宏观状态的热力学几率,用Ω表示. 统计物理学证明,熵与热力学几率存在着“玻尔兹曼关系”,即S = klnΩ ,式中k 为一常量,叫做玻尔兹曼常数, k = R/ NA = 1. 381 ×10 - 23J / K(R 为摩尔气体常数,NA 为阿佛伽德罗常数) .此关系说明:熵是混乱度的量度,某宏观状态对应的微观状态数越多,它的混乱度就越大,熵也越大.

可见,熵增加原理的微观实质是:孤立系统内部发生的过程总是从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡. 可以认为,熵增加原理是热力学第二定律的数学表述.

因此，克劳修斯说，自然界中的一个普遍规律是：能量密度的差异倾向于变成均等。换句话说，“熵将随着时间而增大”。熵恒增意味着能贬值。孤立系统中发生的任何实际过程，其能量的总值保持不变，而其熵值恒增。熵增加导致能量贬值，熵是能量转化为无效部分的度量，这就是热力学第二定律深刻提示的要点。热力学第一定律告诉我们，能量的总值是守恒的。它不可能被创造出来，它也不可能被消灭；热力学第二定律则进一步告诉我们，能量不可能是用之不竭的，在一个孤立系统中越来越多的能量成为无效的。虽然对于一个局部系

统，我们可以使其中的熵减上，使得其中的能量恢复活力，变得有效起来，但它将是以周围环境中更多的能量变为无效作为代价，别无其他的途径。

随后麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”理想实验及其对热力学第二定律理论基础的质疑,发人深省. 近几十年来,熵的概念已经跨出热力学的范围,渗透到信息科学、生命科学乃至社会科学领域,在研究上述各领域的不同性质对象的“无序”与“有序”现象时,给人以新的启迪.