《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》 全省一等獎(jiǎng)

熱力學(xué)第二定律的

微觀解釋一個(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。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，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)帯?/p>

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)化過程中必須遵循的規(guī)律，但并未限定過程進(jìn)行的方向。凡符合熱一律的過程---即符合能量守恒的過程是否都能實(shí)現(xiàn)呢？實(shí)驗(yàn)表明，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是有方向性的。一、自然過程的方向性熱傳導(dǎo)過程例如：氣體的絕熱自由膨脹過程。這些典型例子說明自然界的實(shí)際過程是按一定的方向進(jìn)行的，相反方向的過程不能自動(dòng)發(fā)生，或者說，如果可以發(fā)生，則必然引起其它后果。前言

熱力學(xué)第一定律無法對(duì)這類問題作出解釋，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)第二定律來解釋。二、熱力學(xué)第二定律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)過程進(jìn)行的限度。1.內(nèi)容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^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?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過程是有方向的。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?。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高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩23、兩種表述是統(tǒng)一的2。從克勞修斯表述入手高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩1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)過程是有方向性的。2?？赡孢^程與不可逆過程為了進(jìn)一步研究熱力學(xué)第二定律的含義和熱力學(xué)過程方向性問題，引入可逆過程的概念。一個(gè)系統(tǒng)，由一個(gè)狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過某一過程達(dá)到另一狀態(tài)，如果存在另一個(gè)過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原（即系統(tǒng)回到原來狀態(tài)，同時(shí)消除了原過程對(duì)外界引起的一切影響）則原來的過程稱為可逆過程；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)過一個(gè)周期又回到原來的位置而周圍一切都無變化。反之，如果物體不能回復(fù)到原來狀態(tài)或當(dāng)物體回復(fù)到原來狀態(tài)卻無法消除原過程對(duì)外界的影響，則原來的過程稱為不可逆過程。無摩擦和阻力的單擺運(yùn)動(dòng)是一個(gè)可逆過程。單純的無機(jī)械能耗散的機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程都是可逆過程。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)。其反過程由平衡態(tài)回到非平衡態(tài)的過程不可能自動(dòng)發(fā)生。A在熱現(xiàn)象中，可逆過程只有在準(zhǔn)靜態(tài)和無摩擦的條件下才有可能。無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆的。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)其反過程，使兩物體溫差增大?？赡?zhèn)鳠岬臈l件是：系統(tǒng)和外界溫差無限小，即等溫?zé)醾鲗?dǎo)。氣體的迅速膨脹過程是不可逆的。但是當(dāng)氣體膨脹非常緩慢又沒有其它摩擦?xí)r，它卻是可逆的。結(jié)論：

1）一切自發(fā)過程都是不可逆過程。

2）準(zhǔn)靜態(tài)過程（無限緩慢）+無摩擦的過程是可逆過程。

3）一切實(shí)際過程都是不可逆過程?？赡孢^程是一種理想的極限，只能接近，絕不能真正達(dá)到。因?yàn)?，?shí)際過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?？赡孢^程是理想化的過程。強(qiáng)調(diào)：不可逆過程不是不能逆向進(jìn)行，而是說當(dāng)過程逆向進(jìn)行時(shí)，逆過程在外界留下的痕跡不能將原來正過程的痕跡完全消除。

熱力學(xué)第二定律說明了自然界的實(shí)際過程是按一定的方向進(jìn)行的，是不可逆的，相反方向的過程不能自動(dòng)發(fā)生，或者說，如果可以發(fā)生，則必然引起其它后果。開氏表述實(shí)質(zhì)上在于說明功變熱的過程是不可逆的。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)際宏觀過程進(jìn)行的條件和方向?？耸媳硎鰧?shí)質(zhì)上在于說明熱傳導(dǎo)過程是不可逆的。分布（宏觀態(tài)）詳細(xì)分布（微觀態(tài)）14641不可逆過程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)（以氣體自由膨脹為例）一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行。

熱力學(xué)第二定律的微觀意義熵熵增加原理：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小。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(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過渡。自然過程總是向著使系統(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、最無序的狀態(tài)。一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行。1）適用于宏觀過程對(duì)微觀過程不適用，2）孤立系統(tǒng)有限范圍。能量耗散自然界中的宏觀過程具有方向性，能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出這種方向性。水流的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到周圍的環(huán)境中。我們沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。電能在燈泡中轉(zhuǎn)變成光能光被墻壁吸收后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能能否把這些內(nèi)能收集起來重新利用？火爐把屋子烤暖，這時(shí)高溫物體的內(nèi)能變成低溫物體的內(nèi)能。能否把這些散失的能量重新收集到火爐中再次用來取暖？宇宙中存在著溫度的下限：-273.150C。以這個(gè)下限為起點(diǎn)的溫度叫熱力學(xué)溫度，用T表示，單位是開爾文，符號(hào)是K。T=t+273。15K氫彈爆炸中心108K實(shí)驗(yàn)室已獲得的最高溫度6×107K太陽中心1。5×107K地球中心4×103K乙炔火焰2。9×103K金的凝固點(diǎn)1337。33K錫的凝固點(diǎn)505。078K月球的向陽面4×102K地球上出現(xiàn)的最高溫度331K地球