熱力學(xué)第二定律2.7熵物理意義

1、第七節(jié)（含十二節(jié)）熵的物理意義和熱力學(xué)進(jìn)展,一、熵是系統(tǒng)紊亂度（無序度）的量度,??無序,S低溫 < S高溫,??無序,物態(tài)與熵：,溫度與熵：,演示,演示,一、熵是系統(tǒng)紊亂度（無序度）的量度,壓力與熵：S高壓 < S低壓,（高壓：較小的空間 低壓：較大的空間）,? S分離 < S混合,??無序,??無序,排列與熵:,分子構(gòu)成越復(fù)雜，S越大,二、熵與熱力學(xué)幾率,熵與紊亂度相關(guān)，紊亂度可用熱力學(xué)幾

2、率表示,1、熱力學(xué)幾率,分布方式,4－0,3－1,2－2,1－3,0－4,合計(jì),實(shí)現(xiàn)數(shù),1,4,6,4,16,1,數(shù)學(xué)幾率,1,熱力學(xué)幾率?：實(shí)現(xiàn)某一狀態(tài)時(shí)，可能有的微觀狀態(tài)數(shù)。（實(shí)現(xiàn)數(shù)）,二、熵與熱力學(xué)幾率,如：,最不均勻分布,最均勻分布,N = 4,熱力學(xué)幾率?,數(shù)學(xué)幾率 P,1,1,N = 8,熱力學(xué)幾率?,數(shù)學(xué)幾率 P,宏觀狀態(tài)總是表現(xiàn)為幾率最大的那些狀態(tài)，即紊亂度最大的狀態(tài)。,N=1mol,其它分布 P = 0,均勻分布區(qū)域

3、P = 1,數(shù)學(xué)幾率 P,二、熵與熱力學(xué)幾率,N＝4,N＝8,N＝32,N＝72,二、熵與熱力學(xué)幾率,,2．玻茲曼（Boltzmann）公式,設(shè)熵 S = f (?),熵具加和性：S = S1 + S2 = f (?1)+ f (?2),總幾率為各自幾率之積：? = ?1? ?2,兩者相聯(lián)系的關(guān)系式為：,S = kB ln ?,?? Boltzmann 公式,( kB = 1.3806?10 –23 J?K-1 ),S：宏觀量,?：微觀

4、量,統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的基礎(chǔ)公式是聯(lián)系經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的橋梁,,三、熱力學(xué)第二定律的適用范圍,熱力學(xué)第二定律可歸結(jié)為熵增原理：一切自發(fā)過程都向著熵增大的方向進(jìn)行。,1．熱力學(xué)第二定律適用于有限的宏觀系統(tǒng),(1) 不能描述個(gè)別質(zhì)點(diǎn)的行為。宏觀系統(tǒng)是指含有大量質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，這才能服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律,(2) 不適用于整個(gè)無限的宇宙。,無限的宇宙不能被認(rèn)為是隔離系統(tǒng),三、熱力學(xué)第二定律的適用范圍,2．熱力學(xué)第二定律適用于隔離系統(tǒng),開放系統(tǒng)中，存

5、在穩(wěn)定的有序態(tài)，如生物，從低級(jí)?高級(jí)（更有序）的進(jìn)化。對(duì)于開放系統(tǒng)中有序結(jié)構(gòu)的熵解釋，形成非平衡態(tài)熱力學(xué)。,四．非平衡態(tài)熱力學(xué),1. 非平衡態(tài),系統(tǒng)的定態(tài)（不隨時(shí)間而變的恒定狀態(tài)）有兩種：,隔離系統(tǒng)的定態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)部宏觀上無能量流，無物質(zhì)流，為熱力學(xué)平衡態(tài),開放系統(tǒng)的定態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)部宏觀上有能量流或物質(zhì)流，為熱力學(xué)非平衡態(tài)，并由非平衡態(tài)維持其定態(tài),如與兩熱源接觸的金屬棒，一定時(shí)間后，各點(diǎn)溫度不變，并由熱流維持其定態(tài),生物體維持有序結(jié)構(gòu)，需

6、要有熱流和物質(zhì)流,,,四．非平衡態(tài)熱力學(xué),生物體 ?S總熵 ＝?S內(nèi)部＋?S外部,2．熵流、熵產(chǎn)生和耗散結(jié)構(gòu),熵產(chǎn)生?S內(nèi)部：體內(nèi)的生化反應(yīng)，血液循環(huán)，擴(kuò)散> 0,蛋白質(zhì)，淀粉，脂肪,無序小分子,熵流?S外部：能交換：如散熱,四．非平衡態(tài)熱力學(xué),物交換：如攝入低熵物，排出高熵物,若?S總熵 0最終死亡,耗散結(jié)構(gòu)：需消耗外界能量而維持的有序結(jié)構(gòu)，如活的生物,四．非平衡態(tài)熱力學(xué),3．地球的總熵平衡,,低熵物,高熵物,請(qǐng)轉(zhuǎn)下一節(jié),