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1、王淑秀热力学第二定律的微观解释011.只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序，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。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。有序和无序是相对的。2.符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态,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。3.微观态是在满足宏观态下，确定的状态。系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏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。如果一个无序程度的大小。如果一个“宏观态宏观态”对应的对应的“微观微观态态”比较比较
2、多多，就说这个，就说这个“宏观态宏观态”是比较是比较无序无序的。的。一个箱子被挡板分为左、右两室，左室有气体，右室为真空。撤去挡板后气体要由左向右扩散。我们将从分子热运动的角度来分析这个过程的方向性。为了简单，假定气体只由A、B、C、D 4个分子组成。撤去挡板后的每个分子都可以处于箱中任何位置，就像队列解散后的学生一样。分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）14641 4个分子在容器中的分布对应5种宏观态，不同的宏观态对应的微观态数不同，微观态共有24=16种可能的方式，均匀分布对应的微观态数最多，而且4个分子全部退回到A部的微观态只有1个，根据等概率原理，几率为1/
3、24=1/16。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？实际气体系统中的分子数大得惊人，两室中分子的数密度相同和大致相同的可能性比两室分子数相差很多的可能性大得多。因此，撤去挡板后，我们在实际中只能观察到气体向真空扩散，而不可能观察到气体分子重新聚集在一室的现象。在这个例子中，在这个例子中，“左左2 2右右2 2”这种状态对应着这种状态对应着6 6个微个微观态，而观态，而一侧有一侧有4 4个分子另一侧为真空个分子另一侧为真空的状态只对应的状态只对应着着2 2个微观态。按照之前的说法，个微观态。按照之前的说法，“左左2 2右右2 2”是一种是一种更为更为无序无序的状态。这与
4、我们日常的感觉一致，即无的状态。这与我们日常的感觉一致，即无序指一种序指一种“平均平均”“”“各处都一样各处都一样”“”“没有差别没有差别”。P63 P63 例子例子2 2自发过程总是倾向于出现 与较多微观态对应的宏观态。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，在热力学中，序：区分度。序：区分度。对于一个热力学系统，如果处于对于一个热力学系统，如果处于非平衡态非平衡态，我们认为它处于我们认为它处于有序有序的状态，如果处于的状态，如果处于平衡态平衡态，我们认为它处于我们认为它处于无序无序的状态。的状态。统计物理基本假定统计物理基本假定等几率原理：
5、对于孤立系，各种等几率原理：对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。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。观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。定义定义热力学几率热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数目称与同一宏观态相应的微观态数目称为热力学几率。记为为热力学几率。记为 。在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，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。热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。所
6、以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。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。即系统最后所达到的平衡态。平衡态相应于一定宏观平衡态相应于一定宏观条件下条件下 最大的状态。最大的状态。热力学第二定律的统计表述：热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏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向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状的状态向热力学几率大的状态过渡。态过渡。自然过程总是向着自然过程总是向着使系统热力学几率使系统热力学几率增大的方向进行。
7、增大的方向进行。注意：注意：微观状态数最微观状态数最大的平衡态状态是最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。混乱、最无序的状态。一切自发过程总是一切自发过程总是沿着分子热运动的沿着分子热运动的无序性增大的方向无序性增大的方向进行。进行。热二适用范围：孤立系统热二适用范围：孤立系统有限范围有限范围。对整个宇宙不适用。对整个宇宙不适用。“熵熵”是什么？是什么？“熵熵”是德国物理学家克劳修斯在是德国物理学家克劳修斯在18501850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量年创造的一个术语，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，熵就越在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，
8、熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全大。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。均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。简单的说，简单的说，“熵熵”就是微观粒子的无序程度、能量就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。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。从有序到无序发展的。熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的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，熵是分子热运状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分
9、子热运动无序动无序(混乱混乱)程度的定量量度。程度的定量量度。S=Kln 一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在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。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。律叫做熵增加原理。从从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，一个孤立系统总是从熵小的状态
10、向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。是向无序程度更大的方向发展。n热力学第三定律：不可能通过有限的过程把一个物热力学第三定律：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度。体冷却到绝对零度。n绝对零度不可能达到绝对零度不可能达到。1 1电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了较高的外界空气，这说明了A A热量能自发地从低温物体传给高温物体热量能自发地从低温物体传给高温物体B B在一定条件下，热量可以从低温物体传
11、给高温物体在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体CC热量的传导过程不具有方向性热量的传导过程不具有方向性D D在自发地条件下热量的传导过程具有方向性在自发地条件下热量的传导过程具有方向性 精与解精与解 我们知道，一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由我们知道，一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体传向低温物体；又如扩散，气体总是由密度大的地方向密度小高温物体传向低温物体；又如扩散，气体总是由密度大的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下气体可以由的地方扩散。如果在外界帮助下气体可以由密度密度小小的的地方向地方向密度大的密度大的地地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物
12、体，电冰箱就是借助外力做功方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外力做功把热量从低温物体把热量从低温物体冷冻食品传向高温物体冷冻食品传向高温物体周围的大气。所以，在回周围的大气。所以，在回答热力学过程的方向问题时，要区分是自发过程还是非自发过程，电冰答热力学过程的方向问题时，要区分是自发过程还是非自发过程，电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的。本题答案是箱内热量传递的过程是有外界参与的。本题答案是A A错错B B对对CC错错D D对。对。BD2.2.下面关于熵的说法错误的是下面关于熵的说法错误的是A A熵是物体内分子运动无序程度的量度熵是物体内分子运动无序程度的量度B B在孤立
13、系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行CC热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第二热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原理定律又叫熵增加原理D D熵值越大，代表系统分子运动越无序熵值越大，代表系统分子运动越无序 精与解精与解 热力学第二定律提示：一切自然过程总是沿着分子热力学第二定律提示：一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行的。例如，功转变为热是机械能热运动无序性增大的方向进行的。例如，功转变为热是机械能或电能转变为内能的过程是大量分子的有序运动向无序运动转或电能转变为内能的过程是大
14、量分子的有序运动向无序运动转化，气缸内燃气推动活塞做功燃气分子作有序运动，排出气缸化，气缸内燃气推动活塞做功燃气分子作有序运动，排出气缸后作越来越无序的运动。后作越来越无序的运动。物理学中用熵来描述系统大量分子运动的无序性程度。热力物理学中用熵来描述系统大量分子运动的无序性程度。热力学第二定律用熵可表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统学第二定律用熵可表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统的熵总是从熵小的的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立系统的自然过程会沿状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立系统的自然
15、过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。着分子热运动的无序性增大的方向进行。B3.3.关于有序和无序下列说法正确的是关于有序和无序下列说法正确的是（）A A有序和无序不是绝对的有序和无序不是绝对的 B B一个一个“宏观态宏观态”可能对应着许多的可能对应着许多的“微观态微观态”CC一个一个“宏观态宏观态”对应着唯一的对应着唯一的“微观态微观态”D D无序意味着各处一样、平均、没有差别无序意味着各处一样、平均、没有差别ABD4.4.根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（）A A内能可以自发的转变成机械能内能可以自发的转变成机械能B B扩散的过程完全可逆的扩散的过程完全可逆的CC火力发电时，燃烧物质的内能不可以全部转化为电能火力发电时，燃烧物质的内能不可以全部转化为电能D D热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体CD