20170613212211_热力学第二定律的微观解释

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1、第十章热力学定律第五节热力学第二定律的微观解释一、有序和无序1、有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。2、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。二、宏观态和微观态1.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。2.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。从

2、日常生活中的例子，我们了解了有序和无序的基本含义，并且知道了“宏观态对应的微观态越多，宏观态就越无序。”现在我们以气体向真空中的扩散为例，探讨与热现象有关的宏观自发过程的方向性。一个被隔板分为A、B相等两部分的箱子，装有4个涂以不同颜色分子。三、气体向真空的扩散分布（宏观态）详细分布（微观态）14641开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个箱子内无规则运动。隔板被抽出后，4分子在箱子中可能的分布情形如下图所示：微观态共有24=16种可能的方式，而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16。从表中可以看出，“左2右2”这种

3、宏观上看来均匀分布的情况，所对应的微观态的个数最多，“左0右4”，“左4右0”这种极端不均匀的宏观态所对应的微观态的个数很少。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（宏观态）详细分布（微观态）左边一列的各种分布仅指出A、B两边各有几个分子，代表的是系统可能的宏观态。中间各列是详细的分布，具体指明了这个或那个分子各处于A或B哪一边，代表的是系统的任意一个微观态。一种宏观态对应若干种微观态。在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的？不同的宏观态对应的微观态数不同。均匀分布对应的微观态数最多。全部退回A边仅对

4、应一种微观态。统计物理基本假定—等几率原理：对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。定义热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数目称为热力学几率。记为。在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。所以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。在热力学中，序：区分度。对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有

5、序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。四、热力学第二定律的微观意义对整个宇宙不适用。如布朗运动。平衡态相应于一定宏观条件下最大的状态。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。自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。4.热力学第二定律的适用范围注意：微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。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。五、熵与熵增加原

6、理“熵”是什么？“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。简单的说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的。比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重

7、力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大”。熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。S=KlnΩ一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少叫做熵增加原理。为此，不少人也把热力学第二定律叫做熵增加原理。从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计

8、规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，