热力学第二定律微观解释

二、热力学第二定律
1.开尔文表述 1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。 – 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。
热力学第二定律的 微观解释
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。
熵增加原理
在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立 系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较 为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
平衡态:相应于一定宏观条 件下 最大的状态。最平 均、最无序、最混乱。 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。
1．电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度 较高的外界空气，这说明了 BD A．热量能自发地从低温物体传给高温物体 B．在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体 C．热量的传导过程不具有方向性 D．在自发地条件下热量的传导过程具有方向性
2.一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。 系统的熵如何变化？ 解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动， 其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规 则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是 系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。
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。 开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。 克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。
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。 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。
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。
3.热力学第二定律的统计意义
1.有序和无序 有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。 无序：不符合某种确定规则的称为无序。 无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。 有序和无序是相对的。 2.宏观态和微观态 宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。 微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个 宏观态的微观态。 系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的 大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这 个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向 性——从有序到无序。
自然过程总是向着使 系统热力学几率增大 的方向进行。 一切自然过程总是沿 着无序性增大的方向 进行。 可逆过程：熵不变， 实际不存在，如等温 过程，实际不存在 不可逆过程：熵增加
4.热力学第二定律的适用范围
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。
对整个宇宙不适用。
耗散结构 （1）宇宙真的正在走向死亡吗？ 实际宇宙万物，宇宙发展充满了无序 到有序的发展变化 . （2） 生命过程的自组织现象 生物体的生长和物种进化是从无序到 有序的发展.

A
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。 2.可逆过程与不可逆过程 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； 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。 •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。 无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。
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！
3.下面关于熵的说法错误的是 B A．熵是物体内分子运动无序程度的量度 B．在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行 C．热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第 二定律又叫熵增加原理 D．熵值越大，代表系统分子运动越无序
[精与解] 热力学第二定律提示：一切自然过程总是沿着分子 热运动无序性增大的方向进行的。例如，功转变为热是机械能 或电能转变为内能的过程是大量分子的有序运动向无序运动转 化，气缸内燃气推动活塞做功燃气分子作有序运动，排出气缸 后作越来越无序的运动。 物理学中用熵来描述系统大量分子运动的无序性程度。热力 学第二定律用熵可表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统 的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统的熵总是从熵小的 状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立系统的自然过程会沿 着分子热运动的无序性增大的方向进行。
3、两种表述是统一的 1.从开尔文表述入手 假定单热机是可以 造成的，则 Q 高温源 低温源 高温热源 QT1 1
A
单热机
高温热源 Q2 A(T1) Q1 致冷机 Q2 Q2 低温热源 T2 高温热源 QT Q2 1 1
单热机
低温热源 T2 2.从克劳修斯表述入手 高温热源 T1 Q1 假定热量能 A 自动地从低温源 热机 Q2 传到高温源，则 Q2 单热机也能造成。 低温热源 T2 热力学过程是有方向性的。
4.关于有序和无序下列说法正确的是（ ABD ） A．有序和无序不是绝对的 B．一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态” C．一个“宏观态”对应着唯一的“微观态” D．无序意味着各处一样、平均、没有差别
5.根据热力学第二定律判断机械能 B．扩散的过程完全可逆的 C．火力发电时，燃烧物质的内能不可以全部转化为 电能 D．热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体
•不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）
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，下图是分布情况。 分布 详细分布 （宏观态） （微观态）
A B
1
4
6
4
1
•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。
分布的可能状态数 各种分布的状态总数
n
24
（3） 无生命世界的自组织现象
云、雪花、太阳系、化学实验、热对 流、激光等. （4）开放系统的熵变
（和外界有能量交换和物质交换的系 统叫开放系统）
开放系统熵的变化 dS dS e dS i
25
• 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。
麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗？
• 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。
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
Q吸 |Q放 | 1 Q吸
第二类永动机（单热机）不 能制成。
高温热源T1
Q吸
热机
第二类 永动机
A
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。
自发过程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。
热力学第二定律的 微观解释
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。
一、自然过程的方向性
例如：气体的绝热自由膨胀过程。 热传导过程
A B

A
B
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。