|
熱力學第二定律的本質 自然界一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都是不可逆的。   1.有序和無序 有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫做有序。 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，有序則相反。有序和無序是相對的。 2.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)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(xiàn)為宏觀態(tài)無序程度的大小。如果一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無序。 3.熱力學第二定律的統(tǒng)計意義 對于一個熱力學系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們認為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認為它處于無序的狀態(tài)。 在熱力學中，序：區(qū)分度。 熱力學第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。 下面從統(tǒng)計觀點探討過程的不可逆性微觀意義，并由此深入認識第二定律的本質。 不可逆過程的統(tǒng)計性質 ——以氣體自由膨脹為例 一個被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個涂以不同顏色的氣體分子。  開始時，4個分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴散并在整個容器內無規(guī)則運動。 隔板抽出后，4個氣體分子在容器中可能的分布情形   一般來說，若有N個分子，則共有2N 種可能方式，而N個分子全部退回到A部的幾率1/2N.對于真實理想氣體系統(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，意味著此事件永遠不會發(fā)生。 熱力學第二定律的微觀意義 一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。 不可逆過程的本質 系統(tǒng)從熱力學概率小的狀態(tài)向熱力學概率大的狀態(tài)進行的過程。 自發(fā)過程的規(guī)律： 概率小的狀態(tài)（有序）→概率大的狀態(tài)（混亂） 統(tǒng)計物理基本假定—等幾率原理：對于孤立系，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。 定義熱力學幾率：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學幾率。記為Ω。 在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應的微觀態(tài)最多，熱力學幾率最大，實際觀測到的可能性或幾率最大。 對于1023個分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學幾率的總和相比，此比值幾乎或實際上為100%。 熱力學第二定律的統(tǒng)計表述 孤立系統(tǒng)內部所發(fā)生的過程總是從微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過渡，從熱力學幾率小的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。 S=klnΩ 熵和系統(tǒng)內能一樣，是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。 熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵是不會減少的。 平衡態(tài)相應于一定宏觀條件下Ω最大的狀態(tài)。 熱力學第二定律的統(tǒng)計表述：孤立系統(tǒng)內部所發(fā)生的過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)過渡，從熱力學幾率小的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。 自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學幾率增大的方向進行。 注意：微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無序的狀態(tài)。一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。 4.熱力學第二定律的適用范圍 1）適用于宏觀過程對微觀過程不適用，如布朗運動。 2）孤立系統(tǒng)有限范圍。對整個宇宙不適用。 5. 熵與熵增加原理 “熵”是什么？“熵”是德國物理學家克勞修斯在1850年創(chuàng)造的一個術語，他用熵來表示任何一種能量在空間分布的均勻程度。能量分布得越均勻，熵就越大。如果對于我們所考慮的那個系統(tǒng)來說，能量完全均勻地分布，那么這個系統(tǒng)的熵就達到最大值。 簡單的說，“熵”就是微觀粒子的無序程度、能量差別的消除程度。 在克勞修斯看來，在一個封閉的系統(tǒng)中，運動總是從有序到無序發(fā)展的。 比如，把一塊冰糖放入水中，結果整杯水都甜了。這就是說，糖分子的運動擴展到了整杯水中，它們的運動變得更加無序了。對于一個封閉的系統(tǒng)，能量差也總是傾向于消除的。比如，有水位差的兩個水庫，如果把它們連接起來，那么，重力就會使一個水庫的水面降低，而使另一個水庫的水面升高，直到兩個水庫的水面均等，勢能取平為止。 克勞修斯總結說，自然界中的一個普遍規(guī)律是：運動總是從有序到無序，能量的差異總是傾向變成均等，也即“熵將隨著時間而增大”。 可愛的熵 物理學中有個熵定律，也就是著名的熱力學第二定律。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──不論是有機的，還是無機的生命?？ㄞr、喬治·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；熱力學第二定律（熵定律）卻表明：能量不可逆轉地沿著一個方向轉化，即從對人類來說是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài)。 有效能量告罄時，是“熱寂”──死寂的熱平衡狀態(tài)。有效物質耗盡時，是一片“物質混亂”──整個宇宙的大混亂和大混沌。古羅馬詩人賀拉斯說：“時間磨滅了世界的價值！”可謂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，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！所以，生命的現(xiàn)象是宇宙洪流中的一股逆流！人類精神的無限發(fā)展，是不可抗拒的熵增大長河中的一條逆流之舟！ 習題演練 1. 電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內部傳給溫度較高的外界空氣，這說明了 A．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體 B．在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體 C．熱量的傳導過程不具有方向性 D．在自發(fā)地條件下熱量的傳導過程具有方向性 2. 一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？ 3. 下面關于熵的說法錯誤的是 （ ） A．熵是物體內分子運動無序程度的量度 B．在孤立系統(tǒng)中，一個自發(fā)的過程總是向熵減少的方向進行 C．熱力學第二定律的微觀實質是熵是增加的，因此熱力學第二定律又叫熵增加原理 D．熵值越大，代表系統(tǒng)分子運動越無序 習題解析 1. BD 我們知道，一切自發(fā)過程都有方向性，如熱傳導，熱量總是由高溫物體傳向低溫物體；又如擴散，氣體總是由密度大的地方向密度小的地方擴散。如果在外界幫助下氣體可以由密度大的地方向密度小的地方擴散，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，電冰箱就是借助外力做功把熱量從低溫物體─冷凍食品傳向高溫物體─周圍的大氣。所以，在回答熱力學過程的方向問題時，要區(qū)分是自發(fā)過程還是非自發(fā)過程，電冰箱內熱量傳遞的過程是有外界參與的。本題答案是A錯B對C錯D對 2. 因為物體由于受到摩擦力而停止運動，其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運動的程度，使得無規(guī)則運動加強，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。 3. B 熱力學第二定律提示：一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的。例如，功轉變?yōu)闊崾菣C械能或電能轉變?yōu)閮饶艿倪^程是大量分子的有序運動向無序運動轉化，氣缸內燃氣推動活塞做功燃氣分子作有序運動，排出氣缸后作越來越無序的運動。 物理學中用熵來描述系統(tǒng)大量分子運動的無序性程度。熱力學第二定律用熵可表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，也就是說，一個孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。反映了一個孤立系統(tǒng)的自然過程會沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。 ? 來源：本文綜合來源于網(wǎng)絡，如有侵權，請及時聯(lián)系刪除！ |
|
|
