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1、..第4卷第4期株洲师范高等专科学校学报Vol4No4,.19哭〕年12月JOURNALOFZHUZHOUIEACHERSCol卫GE1玉先1侧洲)嫡增加原理的微观本质与适应范围刘志国,(株洲师范高等专科学校理化系湖南株洲412叨7):,“”、“”摘要讨论墒增加原理的微观本质与适应范围指出墒增加原理用有序无序术语解释时,“”。的不足及嫡增加原理的分子根源批驳宇宙热寂说:;;关键词墒墒增加原理宇宙热寂说.:n文献:A文:1J刃一l1侧珍一一中图分类号O414标识码章编号432()解田7603嫡定理包括函数嫡的存在,绝对
2、温度和嫡增加原理,其中最主要的是嫡和嫡增加原理,它们是热力学第二定律的核心,现已成为普通物理热力学部分最重要的内容之一。然而,从,目前国内常用的几种教材及热学教学的实践看似乎对嫡增加原理的微观本质和适用范围的阐述尚欠力度和深度。这种情形不利于学生对嫡增加原理的微观本质作深刻的理解。本文拟从教学角度定性探讨嫡增加原理的微观本质和适应范围等问题。1嫡增加原理历史上,嫡增加原理的论证是由克劳修斯最先完成的。其论证的思路为,先由热力学第二定律的克劳修斯表述或开尔文表述证明“卡诺定理”,再由“卡诺定理”引出状态函数嫡及克劳修斯
3、等式和不等式,然后将其应用于绝热体系或孤立体系中发生的过程,即可导出嫡增:加原理如下表述一(又称绝热过程的嫡增加原理)当体系由一个平衡态经绝热过程到达另一平,,—,;;衡态它的嫡永不减少如过程是可逆的则嫡的数值不变如过程是不可逆的则嫡的数值增大,简言之,绝热过程的嫡值永不减少。。表述二(又称孤立体系的嫡增加原理)一个孤立体系的嫡永不减少,—,。易知嫡增加原理的表述二是表述一的推论因为一个孤立体系肯定是绝热的2嫡增加原理的微观本质第一个科学阐明嫡增加原理的微观本质的是玻尔兹曼。当时,他分析、研究了这样一个,,:事实从宏
4、观的热学观点看孤立体系中的自发变化总是朝着嫡增加的方向进行直到达到,;嫡值最大的平衡态为止从微观的分子动理论方面看孤立体系中自发变化的初态是热力学几率(俗称“混乱度”),较小的状态,其终态是指定条件下的体系热力学几率最大的状态(即平衡态)。这二者之间是如此对应着,必存在某种客观联系。结合热力学量嫡具有加和性而:1创刃一一收稿日期0724:,,,。作者简介刘志国(1957一男)湖南南县人株洲师专副教授76株洲师范高等专科学校学报19望,年第4期(总第13期)微观量热力学几率具有相乘性的特征,玻尔兹曼证得了关系式二Skn
5、In,,,该式称为玻尔兹曼公式式中S为体系某一状态的嫡n为该状态的热力学几率k为玻尔兹曼常数。玻尔兹曼公式揭示出了嫡的统计意义(即微观本质)嫡是体系热力学几率。—:(混乱度)大小的量度从嫡的统计意义即可阐明嫡增加原理的微观本质如下在孤立体系中进行的过程总是从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态变化的过程,过程进行的限度是到达热力学几率最大的平衡态为止。嫡的另一种常用的解释是利用“有序”与“无序”,故常又将嫡增加原理的微观本质表述:为孤立体系中自发过程进行的方向总是从有序性高的状态(热力学几率小的状态)向无序性高的状
6、态(热力学几率大的状态)进行,而平衡态则对应着最无序(热力学几率最大)的状态。一般的热学教材中对嫡增加原理的微观本质的阐述到此为止。笔者认为,除上述认识,:外还应着重注意以下三个方面第一,利用“有序”与“无序”解释嫡及嫡增加原理时尚有不足。例如,考虑一个过冷液体在绝热条件下的自发结晶过程,由嫡增加原理,该过程所产生的晶体的嫡一定大于过冷液体,“”。的嫡但是很难说明无序的程度有所增加对这一嫡增过程的解释要从粒子的空间构型“”分布(构型无序性或构型混乱度)和粒子在各能级间的散布(热运动无序性或热运动混乱。度)两方面综合考
7、虑在此结晶过程中由于形成点阵时势能的降低而使热能或动能有所增加。这样,虽然构型嫡因点阵的更为有序的排列而有所减少(与液体相比),但是由于形成点阵所释放的能量使得晶体原子在其各振动能态间的散布增加(无规则化)而引起嫡的增加,能抵消上述的墒减少而有余,因而导致过冷液体结晶的总嫡值增加。此例说明,在使用“有”、“”,“”“”,,序无序概念时应进一步深究其构型分布和热运动散布这两者即可共增(减)亦可反变,二者共同决定着体系的嫡变化。,,。第二嫡增加原理是一条统计性规律只对大数粒子组成的宏观体系适用如果一个体、,。,系仅由几个
8、十几个粒子组成体系内发生无序变有序的嫡减过程还是可能的事实上对,,一个大数粒子组成的孤立体系今将其分成两部分则发现嫡的可观的自发的减少也并非是绝对的不可能,只不过发生这种事情是非常的不可几而实际被当作不可能事件。现举一简。,,化模型来说明考察N个全同小球在两等同盒中的分布由代数学中排列和组合知识总。”的分配花样数(又称微观状态数或热力学几率)为
