热力学第二定律的微观解释1

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1、1一个“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。2一般的解释是：妖精必须得到一些“

2、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。麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗？3自发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。4热力学第二定律的微观解释5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

3、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、自然过程的方向性热传导过程例如：气体的绝热自由膨胀过程。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。6热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律来解释。二、热力学第二定律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

4、功而不产生其它影响是不可能的。1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。1.开尔文表述以热机为例，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。7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高温热源T1=0第二类永动机（单热机）不能制成。第二类永动机8高温热源T1低温热源T2与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，热量将自动地由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，

5、但要以外界作功为代价，也就是引起了其它变化。克氏表述指明热传导过程是有方向的。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。91.从开尔文表述入手假定单热机是可以造成的，则高温源低温源Q高温热源T1低温热源T2高温热源T1低温热源T23、两种表述是统一的2.从克劳修斯表述入手高温热源T1低温热源T2高温热源T1假定热量能自动地从低温源传到高温源，则单热机也能造成。热力学过程是有方向性的。102.可逆过程与不可逆过程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。一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到

6、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；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。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。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。11单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整

7、个容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生。A在热现象中，可逆过程只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。理想气体热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达到热平衡。从未发现其反过程，使两物体温差增大。12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

8、限缓慢）+