力学第二定律的微观解释课件.ppt

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1、10.5热力学第二定律的微观解释,教学目标,知识与技能1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。2.了解热力学第二定律的微观意义。3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。4.知道随着条件的变化，熵是变化的。过程与方法.学会通过现象总结规律的科学方法2.知道熵的概念，知道任何自然过程中一个孤立系统的总熵不会减少情感态度和价值观培养分析、归纳、综合能力,引入：热力学第二定律以宏观事实为基础告诉我们与温度有关的宏观自然过程自发进行具有方向性。而对于常见的一些具体的不可逆过程，人们已经凭经验找到了一个特定的参量来判断自发进行的方向和限度，例如对热传导，以温度为判断标准，自发方向是热量总是从

2、高温物体自发地传给低温物体；限度是直到温度相等为止；对气体扩散，以密度（或浓度）为判断标准，限度是密度相等为止；气体膨胀以压强为判断标准等，人们自然会提出这样一个问题，既然各种不可逆过程都因与温度有关而相互关联、彼此一致，那么能不能找出一个普遍的物理量作为共同的判断标准，来判断任何不可逆过程的方向和限度呢？因宏观表现总是源于微观统计规律，即系统的宏观表现是组成系统的微观粒子的统计规律，故本节从微观上通过对各种具体不可逆过程特点的分析，异中求同来寻找他们的共性，进而从微观角度说明为什么涉及热运动的宏观过程具有方向性。,根据已学知识，带着下面问题仔细阅读课文包括插图、扉页脚批、思考与讨论及课后问题

3、与练习、科学漫步等，回顾思考后回答问题：,1、什么是有序及无序？有序与无序的含义是什么？2、宏、微观态与有、无序的关系是什么？3、涉及热运动的宏观自然过程方向性的微观描述有哪些？4、热力学第二定律的微观意义是什么？,1.有序和无序,生活中我们常说到有序和无序，那么究竟什么叫序？,序：就是次序，就是从事物的关联中找出的内在规律。,有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。,通俗的理解为一个系统内的个体按预先确定的规则有顺序的排列叫有序。,无序：不符合某种确定规则的称为无序。,通俗的理解为组成系统的个体分布没有确定的要求，怎样分布都可以叫无序。“无序”意味着“各处都一样，均匀、平均、没有

4、差别”,注：有序和无序是相对的。是相对于排列要求和规则而言的，这是从序的程度上来说的。,2.宏观态和微观态,宏观态：符合某种规则的一个宏观状态，叫做热力学系统的宏观态。,微观态：对孤立系统某一确定宏观状态中的个体，根据个体的特点，可以按其他的规则继续排列出的各个体的不同的分布状态，叫做与这个宏观态对应的微观态。,宏观态的特点：符合某种规则或排列要求的排列方式只有一种。,3.序与微观态,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。“有序”表明一个确定的宏观态对应于较少的“微观态”；而“无序”表明对于一个确定的宏观态对应与较多的“微观态”。,“序”与“微观态”的数目相对应，宏观态对

5、应的微观态数目越多，说明宏观态越无序。,注意：“有序”和“无序”是对宏观态而言的，而宏观态是“有序”还是“无序”是通过宏观态对应的微观态的数目多少来决定的。,对于一个热力学系统，如果处于热力学的非平衡态（密度、温度等梯度大），我们认为它处于有序的状态，如果处于热力学平衡态，我们认为它处于无序的状态。,宏观态对应的微观态越少，说明组成系统的个体能再排列的可能性越小，证明宏观态本身的排列越有序。,以气体自由膨胀为例，从统计观点探讨与热现象有关的宏观自发过程的方向性（不可逆性）。,一个箱子被隔板分为左右相等的两室，装有4个涂以不同颜色分子。,开始时，气体分子都在左室，右室为真空，抽出隔板后气体分子由

6、左向右扩散。我们从分子热运动的角度分析扩散过程的方向性，为了简单，假定气体只有四个分子组成，隔板撤去后，因气体分子在整个容器内做无规则运动，所以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，细致区分哪个分子在哪侧，这样的一个一个的状态就是不同的微观态。4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：,左边一列的各种分布仅指出左、右两边各有几个分子，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左或右哪一边，代表的是系统的宏观态对应的任意一个微观态。,撤去挡板后，4个分子在容器中的分布对应5种宏观态。一种宏观态对应若干种微观态。不同的宏观态对应的微观态数不同。

7、从微观的角度看，由于分子的无规则热运动，同一宏观态所对应的各个微观态出现的概率是一样的的，从上面可以看到“左2右2”这种宏观上看起来均匀分布的宏观态对应的微观态的个数最多，而全部退回一边的“左0右4”和“左4右0”这种极端不均匀的宏观态对应的微观态个数最少，只有一种。,由此可见：“左2右2”这种均匀分布的可能性最大，而“左2右2”的这种“均匀分布”宏观态对应的微观态数目最多，根据“序与微观态”的关系可得：“左2右2”是一种更为“无序”的状态，这与日常感觉一样，由此可见“无序”就是一种“平均”“各处都一样”“没有差别”“均匀分布”“分子数密度均匀”。,由以上分析可得：自发过程总是倾向于与出现较多

8、微观态对应的宏观态。因“有序”状态，指的是对应着较少微观态的宏观态，“无序”状态指的是对应着较多的微观态的宏观态，所以从“序”的角度来看“自发过程总是从有序向着无序发展的”,热力学过程方向性的微观本质：就是系统从有序趋于无序；一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。热力学过程方向性的统计意义：从概率较小的状态趋于概率较大的状态进行。,4.热力学第二定律的微观意义,“有序”和“无序”是相对的，是从序的程度上来说的，自发的过程总是从有序向着无序发展的，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。这就是热力学第二定律的微观意义。,产生这种现象的原因也很简单，因自然界通向无序的方法远多于通向

9、有序的方法，打个比方，让一群学生在操场上站好队，需要一些手段，但要他们在操场上乱跑，就很简单了。,统计物理基本假定等概率原理：,注意：一个孤立系统的各种宏观态不是等概率的。而是哪一种宏观态包含的微观态数越多，这种宏观态出现的可能性就越大。微观状态数最大的均匀分布的宏观状态是最混乱、最无序的状态，是热力学系统自发进行到最后最终所达到的热平衡状态。,因均匀分布的宏观态出现的热力学概率最大，是热力学系统自发进行到最后所达到的热平衡态。所以，实际观测到的总是均匀分布宏观热平衡态。,对于孤立系统，同一个宏观态所对应的各种微观态出现的概率是相等的。,引入必要性：通过前面分析我们知道：“系统的宏观态所对应的

10、微观态的多少表现为宏观态的无序程度，同时也决定的宏观过程自发进行的方向性”。看起来，一个宏观态对应的微观状态的多少是个很重要的物理量，它标志着宏观态的无序程度。,热力学概率：与同一宏观状态所对应的微观状态的数目称为热力学概率。记为。,热力学概率,热力学概率的意义及作用,热力学概率标志系统宏观态的无序程度；热力学自然过程总是向着使系统热力学概率增大的方向自发进行。热平衡态是一定宏观条件下 最大的宏观状态；,热力学第二定律的统计概率表述：孤立系统内部所发生的自然过程总是从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态自发进行。,5、熵,（1）引入：为了描述分子热运动的“无序”程度，物理学中引入了“热力学概

11、率”，根据数学概率的知识我们知道，由N个分子组成的孤立系统，各种可能的宏观态各自所对应的微观态数目之和为2N个，再根据热力学等概率原理可知，同一个宏观态所对应的各种微观态出现的概率又是相等的，这样通过计算概率来判断自发过程进行的方向性有时候不方便。为了研究的方便，物理学家引入了一个用得更多的且与热力学概率相关的物理量熵，用字母S表示。,（2）微观统计熵（熵的统计学）的定义：奥地利物理学家玻尔兹曼根据统计力学提出了熵与孤立系统微观态的数目（也称热力学概率）的关系，即S ln。后来普朗克把它写成了等式。,S=klnS是熵，它与给定状态的概率的对数值成正比，K是比例常数，现在称为玻尔兹曼常数。,（3

12、）熵的物理意义：,熵是物质微观热运动时，混乱程度的标志，是系统内分子运动无序性的度量。系统的微观态数目越多，热力学概率 越大,熵就越大，系统越无序，系统越混乱，这就是熵的本质。,熵是描述热力学系统的重要态函数之一，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。熵的大小反映系统所处状态的稳定情况，熵越大系统越稳定，熵达到最大值，系统处于稳定的热平衡态。,简单的说，“熵”就是微观粒子的混乱、均匀、平衡、无序、不确定及能量差别的消除程度的状态量。,热力学平衡的条件：熵达到最大值。,（1）熵的变化途径：一个系统的熵的变化有两个途径：一是与外界有热交换（根据宏观熵）从而有熵的 输入和输出，熵可增

13、可减，二是系统内部的耗散引起的，熵有增无减。,6、熵增加原理,.孤立系统总熵不会减小的两层含义：如果过程可逆，则熵不变，过程不可逆，则熵增加。,（2）熵增加原理：一个孤立系统的熵总是随着系统状态的变化而变化的，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小,注：熵增加原理只适用于孤立系统。由于孤立系统是与外界没有物质和能量交换的系统，故内部的一切变化与外界无关，必然是绝热过程。,（3）熵增加原理的理解,.熵增加原理说明熵将随着时间而增大，熵随时间具有不可逆性或单向性，即熵乃时间之矢，也就是说熵是时间的箭头。在这个宇宙中是不可逆的。熵与时间密切相关。如果时间停止“流动”，熵增也就无从谈起，任何我们

14、已知的物质能关住”的东西，不是别的，就是“时间”。低温关住的也是“时间”。生命是物质的有序“结构”。,熵增加原理表明随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态，熵单调增大，当系统达到平衡态时熵达到最大值。因此熵的变化和最大值决定了孤立系统过程进行的方向性和限度。所以熵增加原理的作用就是可以根据熵的变化来判断热力学过程进行的方向和限度；同时为热力学第二定律提供了定量表述。,（4）熵增加原理作用与应用,7、热力学第二定律的熵表述：,一切自发地宏观过程总是从熵小的状态向熵增大的状态发展，直到熵达到最大值（达到热平衡状态）为止。这就是热力学第二定律。,你我身边的熵增加现象分析,一个玻璃杯破碎后，玻璃渣混乱的散落

15、一地，无序性增加我们就说熵增加。,一滴红墨水滴到一杯清水中，红墨水分子迅速扩散，直至均匀，无序性增加，我们也说熵增加了。,植物生长是通过光合作用将二氧化碳和水转化为葡萄糖，显然是更为有序了，即熵减小了，这与熵增加矛盾吗？,这个过程对植物来说的确熵减少了，但对植物这个系统，因从外界吸收能量，不是孤立系统，但对太阳，植物即周围环境组成的孤立系统总的来看熵还是增加了。,能量与熵,熵增大表示“封闭系统”内能量的“退化”和“贬值”表示这种内部能量不能转化为其他能量形态的程度，或者说有用能的“耗散”。能的总量不变，随着熵的增加，意味着系统能量“分散”和“贬值”，即系统能量有更多部分不能再利用了。能量分布得

16、越均匀，熵就越大，能量完全均匀地分布，这个系统的熵就达到最大值。,8、熵的移植：熵最早是热力学上的一个符号，表达的是某一系统内部热量平均化的程度。而后，这个概念被许多其他学科借用，引伸出更多的概念。但是不管在学科间如何变化，其表达的概念总是一个，就是，系统内部物质分布平均化程度。熵如今已经成为一个广义化的概念而非物理学独有的了，现在熵逐步由热力学的概念移植到了信息科学（是不确定性的量度）、生命科学（泛指某些物质系统状态的一种量（ling）度，某些物质系统状态可能出现的程度）和社会科学等领域（用以借喻人类社会某些状态的程度），已经超出了物理学的范畴，产生了地理熵、气象熵、生命系统熵、农业系统熵、

17、社会熵、经济熵、环境熵、文化熵、人体熵、精神熵、思维熵、心熵、广义熵等许多新的概念。有些用法是熵本意隐身，有些只是用作“无序程度”的代名词，描述过程的发展方向。,总结：热力学第二定律的各种描述：,克劳修斯表述（从热传导的方向性来表述）：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。,开尔文表述（从能量转化的方向性来表述）不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响。,奥斯特瓦尔德表述：机械效率为1的热机是不可能制成的。,热力学第二定律的序表述：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,热力学第二定律的统计概率表述：孤立系统内部所发生的自然过程总是从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态

18、自发进行。,热力学第二定律的其他表述：摩擦生热过程是不可逆的过程；自由膨胀过程是不可逆的过程；扩散过程是不可逆的过程；,热力学第二定律的熵表述：一切自发地宏观过程总是从熵小的状态向熵大的状态发展，即沿着分子热运动的无序性（混乱度）增大的方向进行，直到熵增大到最大热平衡状态为止。这就是热力学第二定律。,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较高的外界空气，这说明了A热量能自发地从低温物体传给高温物体B在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体C热量的传导过程不具有方向性D在自发地条件下热量的传导过程具有方向性,精与解 我们知道，一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体

19、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密度大的地方向密度小的地方扩散，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冷冻食品传向高温物体周围的大气。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，电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的。本题答案是A错B对C错D对。,BD,2.一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？,解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。,3.下面

20、关于熵的说法错误的是A熵是物体内分子运动无序程度的量度B在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行C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D熵值越大，代表系统分子运动越无序,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。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，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统的熵总

21、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着分子热运动的无序性增大的方向进行。,B,4.关于有序和无序下列说法正确的是（）A有序和无序不是绝对的 B一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”C一个“宏观态”对应着唯一的“微观态”D无序意味着各处一样、平均、没有差别,ABD,5.根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（）A内能可以自发的转变成机械能B扩散的过程完全可逆的C火力发电时，燃烧物质的内能不可以全部转化为电能D热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体,CD,6.倒一杯热水，然后加入适当的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶，关于这个过程下列叙述

22、正确的是（）A溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的B溶解过程是有序向无序转变的过程C结晶过程是有序向无序转变的过程D结晶过程不是自发的，因为有外界的影响,BD,7.下列说法正确的是()A如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布，则B分布更无序B如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布，则A分布更无序C大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是可逆的D大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是不可逆的,AD,8.一个密闭的容器内有稀薄气体，在容器上开一个小口，外部的空气就会流入容器，在气体流入过程中，

23、容器内靠近开口处的空气密度暂时变得比内部大，以下说法正确的是（）A此时容器内气体处于一个不平衡状态，是一个最无序的状态 B外界的影响破坏了容器内气体的平衡 C上面事实说明热力学第二定律只适用于封闭系统D对一个开放系统并不一定是最无序的分布,BCD,9.下列说法正确的是（）A热力学第二定律只在一定前提条件下才能成立B热力学第二定律揭示了一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行C能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性D热力学第二定律揭示了有大量分子参与宏观过程的方向性,BCD,10.从微观角度看（）A热力学第二定律是一个统计规律B一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小

24、的状态发展C一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大D出现概率越大的宏观状态，熵值越大,ACD,11.下列说法正确的是（）A与热现象有关的自发的宏观过程是有方向性的B与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加的过程C气体扩散现象向着无序性增加的方向进行,是可逆过程D机械能转化为内能的过程是系统的熵增加的过程,ABD,12、对“覆水难收”的叙述正确的是（）,A.盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较少，较为有序B.盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较多，较为无序C.泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较多，较为无序D.泼出的水是

25、一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较少，较为有序,AC,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”。,可爱的熵物理学中有个熵定律，也就是著名的热力学第二定律。熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的

26、总和。熵本身既不是好事，也不是坏事；它意味着腐败和混乱，但它同时也意味着生命本身的展开不论是有机的，还是无机的生命。卡农、乔治梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，它与热力学第二定律是相符的。热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式；热力学第二定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态。,有效能量告罄时，是“热寂”死寂的热平衡状态。有效物质耗尽时，是一片“物质混乱”整个宇宙的大混乱和大混沌。古罗马诗人贺拉斯说：“时间磨灭了世界的价值！”可谓一语道破了熵定律的真谛。物理学家们认为

27、，熵定律是物质世界的最终定律，人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一、第二定律的严密制约；但是，他们又认为熵定律只涉及物质世界，只控制时空的横向世界，人类的精神世界并不受熵定律的专制统治！所以，生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流！人类精神的无限发展，是不可抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟！,再见,熵的物理意义,宏观经典熵：克劳休斯当初把可逆过程中被传递的热量与绝对温度之比定义为宏观熵，即热温熵，标志热量转化为功的程度。,微观统计熵（熵的统计学定义）：奥地利物理学家玻尔兹曼根据统计力学提出了熵与孤立系统微观态的数目（也称热力学概率）的关系，即S ln。后来普朗克把它写成了等式S=k ln（k为玻

28、尔兹曼常量）。,由于微观态的数目是分子热运动无序性的一种量度，因此玻尔兹曼微观熵的定义给出了克劳休斯宏观熵的一个微观解释。根据熵的统计学定义，越大，S也越大，那么熵自然也是系统内分子热运动无序性的量度。即熵是系统混乱度的状态函数，且系统的混乱度可用一定宏观态对应的微观态数目来表征。系统的微观态数目越多，热力学概率 越大，系统越混乱，熵就越大，这就是熵的本质。,熵的物理意义：物质微观热运动时，混乱程度的标志。是混乱和无序的度量，是热力学中表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示,熵”(entropy)是德国物理学家克劳修斯(1822 1888)在1850年创造的一个术语，他用它来表示任何一种能量

29、在空间中分布的均匀程度。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,在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。只有当你所使用的那个特定系统中的能量密度参差不齐的时候，能量才能够转化为功，这时，能量倾向于从密度较高的地方流向密度较低的地方，直到一切都达到均匀为止。正是依靠能量的这种流动，你才能从能量得到功。起决定性作用的是能量密度的差异和朝着均匀化方向的流动。比如让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。如果把两

30、个水库连接起来，并且其中一个水库的水平面高于另一个水库，那么，万有引力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水面升高，直到两个水库的水面均等，而势能也取平为止。因此，克劳修斯说，自然界中的一个普遍规律是：能量密度的差异倾向于变成均等。换句话说，“熵将随着时间而增大”。,熵增加原理说明熵随着时间而增大，熵随时间具有不可逆性或单向性，即熵乃时间之矢，即熵是时间的箭头，在这个宇宙中是不可逆的。熵与时间密切相关。如果时间停止“流动”，熵增也就无从谈起，任何我们已知的物质能关住”的东西，不是别的，就是“时间”。低温关住的也是“时间”。生命是物质的有序“结构”。“结构”与具体的物质不是同一个层次的概念。就像

31、大厦的建筑材料和大厦的式样不是同一个层次的概念一样,对于能量从密度较高的地方向密度较低的地方流动的研究，过去主要是对于热这种能量形态进行的。因此，关于能量流动和功能转换的科学就被称为“热力学”，这是从希腊文“热运动”一词变来的。,热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义：就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。,一个系统的熵的变化有两个途径：一是与外界有热交换（根据宏观熵）从而有熵的 输入和输出，熵可增可减，二是系统内部的耗散引起的，熵有增无减。即当热力学系统从一平衡态经绝热过程达到另一平衡态时，它的熵永不减少。如果过程可逆，则熵不变，过程不可逆，则熵增加，这就是熵增加原理。

32、,注：熵增加原理只适用于孤立系统，由于孤立系统内部的一切变化与外界无关，必然是绝热过程，熵增加原理表明随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态，熵单调增大，当系统达到平衡态时熵达到最大值，因此熵的变化和最大值决定了孤立系统过程进行的方向性和限度。,热力学第二定律的微观意义：一切自发地宏观过程总是从熵小的状态向熵大的状态发展，即沿着分子热运动的无序性（混乱度）增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义。热力学第二定律还揭示了：局部的有序是可能的，但必须以其他地方的更大无序为代价,熵是描述热力学系统的重要态函数之一，熵的大小反映系统所处状态的稳定情况，熵越大系统越稳定，熵达到最大值，系统处于稳定的平衡

33、态。熵的变化指明热力学过程进行的方向，熵为热力学第二定律提供了定量表述。,从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。产生这种现象的原因也很简单，既自然界通向无序的方法远多于通向有序的方法，打个比方，让一群学生在操场上站好队，需要一些手段，但要他们在操场上乱跑，就很简单了。,熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律，有下述表述方式：热量总是从高温物体传到低温物体，不可能作相反的传递而

34、不引起其他的变化；功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功（即无法制造第二类永动机）；在孤立系统中，实际发生的过程总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T2)物体，高温物体的熵减少dS1=dQ/T1，低温物体的熵增加dS2=dQ/T2，把两个物体合起来当成一个系统来看，熵的变化是dSdS2dS10，即熵是增加的。,在物理学中，玻尔兹曼说：“当能量被减少时，原子就呈现为一种更无序的状态。”熵是对无序的一种度量：那是一个意义深远的概念，该概念就来源于玻尔兹曼的新的解释。另人吃惊的是，

35、可制作一种度量无序的方法，那就是特殊状态的概率在次被定义为原子聚集方式的数量。他十分精确的表示为：S=KlnS是熵，它与给定状态的概率的对数值成正比，K是比例常数，现在称为玻尔兹曼常数。如果不是玻尔兹曼，我们的进步将会倒退几十年，也许一百年。,熵的移植：熵最早是热力学上的一个符号，表达的是某一系统内部热量平均化的程度。而后，这个概念被许多其他学科借用，引伸出更多的概念。但是不管在学科间如何变化，其表达的概念总是一个，就是，系统内部物质分布平均化程度。熵如今已经成为一个广义化的概念而非物理学独有的了，现在熵逐步由热力学的概念移植到了信息科学（是不确定性的量度）、生命科学（泛指某些物质系统状态的一

36、种量（ling）度，某些物质系统状态可能出现的程度）和社会科学等领域（用以借喻人类社会某些状态的程度），已经超出了物理学的范畴，产生了地理熵、气象熵、生命系统熵、农业系统熵、社会熵、经济熵、环境熵、文化熵、人体熵、精神熵、思维熵、心熵、广义熵等许多新的概念。有些用法是熵本意隐身，有些只是用作“无序程度”的代名词,熵的移植：现在熵逐步由热力学的概念移植到了信息科学、生命科学和社会科学等领域，已经超出了物理学的范畴，产生了地理熵、气象熵、生命系统熵（生物学已经证明，凡是上了岁数的人，身体中的原子,已经没有一个是刚出生时候的了。但是，你还是你，我还是我，生命还在延续。倒是死了的人，没有了新陈代谢，身

37、体中的分子可以保留很长时间）、农业系统熵、社会熵、经济熵、环境熵、文化熵、人体熵、精神熵、思维熵、心熵（意识是比生命更高层次的有序，可以在生命之间传递）、广义熵等许多新的概念。进而嬗变成一种世界观，在这些场合中，有些用法是熵本意隐身，有些只是用作“无序程度”的代名词，描述过程的发展方向。,热力学的两条定律意味着：宇宙的能量是常数；宇宙的熵趋于一个极大值；引进了两个状态参量,第一定律引进了内能，能量是物质运动的一种量度，形式多样，可以相互转换，某种形式的能量如内能越多表明可供转换的潜力越大。热力学第二定律引进了熵，熵是系统的宏观无序性的量度，决定宏观过程的方向性，即熵大，意味着“混乱”和“分散”

38、（无序），熵小意味着“整齐”和“集中”（有序），以热量从高温传到低温为例，存在温差意味着能量相对集中，这才有可能得到有用功，温度均衡了，虽然能的总量没有变，但是单一热源做不出有用功来，意味着能量“分散”和“贬值”，随着熵的增加系统能量有更多部分不能再利用了。所以熵这个概念表示封闭系统内能量的“退化”和“贬值”表示这种内部能量不能转化为其他能量形态的程度，或者说有用能的“耗散”。,原文的字意是转变，描述内能与其他形式能量自发转换的方向和转换完成的程度。随着转换的进行，系统趋于平衡态，熵值越来越大，这表明虽然在此过程中能量总值不变，但可供利用或转换的能量却越来越少了。内能、熵和热力学第一、第二定律

39、使人们对与热运动相联系的能量转换过程的基本特征有了全面完整的认识。,熵的特性1.熵均大于等于零，即，H_s ge 0。2.设N是系统S内的事件总数，则熵H_s le log_2N。当且仅当p1=p2=.=pn时，等号成立，此时系统S的熵最大。3.联合熵：H(X,Y)le H(X)+H(Y)，当且仅当X，Y在统计学上相互独立时等号成立。4.条件熵：H(X|Y)=H(X,Y)-H(Y)le H(X)，当且仅当X，Y在统计学上相互独立时等号成立。,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。,一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，而N个分子全

40、部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。,对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部的过程原则上是可逆的。,对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。,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。,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

41、任意一个微观态。,一种宏观态对应若干种微观态。,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边仅对应一种微观态。,53,可爱的熵物理学中有个熵定律，也就是著名的热力学第二定律。“熵”的名称是由德国物理学家道尔夫克劳修斯于1868年造出来的，它代表着宇宙中不能再被转化做功的能量的总和的测定单位，即熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。熵本身既不是好事，也不是坏事；它意味着腐败和混乱，但它同时也意味着生命本身的展开不论是有机的，还是无机的生命。卡农、乔治梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，它与热力学第二定律是相符的。

42、热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式；热力学第二定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态。,54,有效能量告罄时，是“热寂”死寂的热平衡状态。有效物质耗尽时，是一片“物质混乱”整个宇宙的大混乱和大混沌。古罗马诗人贺拉斯说：“时间磨灭了世界的价值！”可谓一语道破了熵定律的真谛。物理学家们认为，熵定律是物质世界的最终定律，人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一、第二定律的严密制约；但是，他们又认为熵定律只涉及物质世界，只控制时空的横向世界，人类的精神世界并不受熵定律的专制统治！所以，生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流！人类精神的无限发展，是不可抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟！,