熱力學(xué)第二定律和熵增加原理的形成,熱力學(xué)論文

熱力學(xué)第二定律和熵增加原理的形成,熱力學(xué)論文摘要：熱力學(xué)第二定律也被稱為熵增加原理,是熱力學(xué)中,也是物理學(xué)中的一個重要的基本規(guī)律.基于人教版高中物理中熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容,對熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容和發(fā)展建立經(jīng)過進(jìn)行探尋求索,以提供更多的學(xué)習(xí)材料,來幫助學(xué)生對熱力學(xué)第二定律有全面的認(rèn)識,拓寬學(xué)生的視野,認(rèn)識物理學(xué)規(guī)律建立的彎曲復(fù)雜經(jīng)過.本文關(guān)鍵詞語：熱力學(xué)第二定律;熵增加原理;麥克斯韋妖;基于人教版(高中物理選修3-3〕熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容,為了使學(xué)生和老師有更多的學(xué)習(xí)素材,對熱力學(xué)第二定律能進(jìn)一步的認(rèn)識和學(xué)習(xí),本文對熱力學(xué)第二定律和熵增加原理的內(nèi)容和發(fā)展建立經(jīng)過進(jìn)行探尋求索.1熱力學(xué)第二定律與熵增加原理內(nèi)容1.1熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律是一個比擬特殊定律,它是反映宏觀自然經(jīng)過的方向性的定律,也是一個少有的以否認(rèn)句的形式來表述的定律.它具有兩種常見的表述形式,即:克勞修斯表述和開爾文表述.開爾文實(shí)際就是威廉湯姆孫,他在熱力學(xué)方面有很深的研究,本來有可能成為第一個發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律的,但是由于遭到熱質(zhì)講的束縛,沒能首先發(fā)現(xiàn).于1850年克勞修斯首先提出:不能把熱從低溫物體傳給高溫物體,而不引起其他變化.遲后一年,于1851年開爾文又提出:不能從單一熱源汲取熱量,使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓痆1].華而不實(shí)克勞修斯表述講明熱量從低溫物體傳給高溫物體時,必然會引起其他的變化,指明了熱量不能自發(fā)的從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體.開爾文表述有時候也被稱為開爾文-普朗克表述,表示清楚了機(jī)械能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化經(jīng)過當(dāng)中的方向性問題,內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能,由于現(xiàn)實(shí)的生活中并不存在效率為100%的熱機(jī),內(nèi)能在轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時一定會出現(xiàn)熱量的耗散問題,耗散的能量無法回收,無法再利用,所以內(nèi)能無法完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.固然如此,由以上分析可知,能量并沒有消失,熱力學(xué)第二定律并不違犯能量守恒定律.1.2熵增加原理熵的概念廣泛地出如今各個領(lǐng)域當(dāng)中,信息領(lǐng)域、生物學(xué)領(lǐng)域也有熵的概念,熵不再是物理學(xué)的專屬概念.然而熵是克勞修斯于1865年提出的用于描繪敘述熱力學(xué)狀態(tài)的一個概念,在人教版高中教學(xué)材料(物理選修3-3〕中熵的含義能夠簡單地理解為熵較大的宏觀狀態(tài)無序程度較大,也就是統(tǒng)計(jì)學(xué)中出現(xiàn)概率較大的狀態(tài),宏觀狀態(tài)對應(yīng)著微觀狀態(tài)的數(shù)目,即微觀態(tài)數(shù).玻爾茲曼給出了熵與微觀態(tài)數(shù)成正比的關(guān)系,即SLnW或S=kLnW(華而不實(shí)S是熵,W微觀態(tài)數(shù),k玻爾茲曼常量),此公式也稱為熵的玻爾茲曼公式.那么對于自然經(jīng)過的方向性,又能夠用熵的概念表述成:在任何自然經(jīng)過中,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小.用熵的概念表述熱力學(xué)第二定律,熵不會減小,因而才有一些學(xué)者將熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理.這個原理表示清楚:一個孤立的系統(tǒng)在自發(fā)的宏觀自然經(jīng)過中熵是增加的,但是并不排除在微觀個體上出現(xiàn)熵減少的可能.無論是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述,還是開爾文表述,以及從熵的概念來描繪敘述的熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容(熵增加原理),它們都是描繪敘述了自然經(jīng)過的方向性和不可逆性的.1.3熵增加原理的數(shù)學(xué)表示出熱力學(xué)第二定律和熵增加原理都揭示了宏觀自然經(jīng)過的方向性,但是,二者也有不同.假如講前者是對熱力學(xué)系統(tǒng)中宏觀經(jīng)過的轉(zhuǎn)化方向進(jìn)行了定性的描繪敘述,那么后者則是給出了定量描繪敘述.1865年克勞修斯提出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述,找到了一種數(shù)學(xué)方式方法來表示可逆與不可逆循環(huán)經(jīng)過中總熵的變化.將TQ稱為熱溫比,Sa,Sb用來表示初、末狀態(tài)的熵.進(jìn)而引出態(tài)函數(shù)熵.從初狀態(tài)a到末狀態(tài)b的任何可逆經(jīng)過的熱溫比之和都等于初、末狀態(tài)的熵的差值而可逆的準(zhǔn)靜態(tài)元經(jīng)過的熵變化為來看,其積分的不可逆循環(huán)經(jīng)過曲線中,一定有部分或全部經(jīng)過是不可逆的非準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過,我們假定這個不可逆循環(huán)經(jīng)過曲線中aⅠb部分為不可逆經(jīng)過,而bⅡa為可逆經(jīng)過.那么,克勞修斯不等式能夠詳細(xì)的寫成圖1不可逆循環(huán)經(jīng)過不可逆經(jīng)過熱溫比之和遵循這個表示出式,任何不可逆經(jīng)過的熱溫比之和都會比初、末狀態(tài)的熵差小.假如把熵的定義式與上式綜合起來,則任何一個經(jīng)過都知足那么,能夠講是不可逆經(jīng)過的熱溫比之和始終比初、末狀態(tài)熵差小,可逆經(jīng)過的熱溫比之和始終與初、末狀態(tài)的熵差相等.對于絕熱經(jīng)過(dQ=0)表示清楚絕熱經(jīng)過熵是不可能減少.由此來講,對于不能同外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的孤立系統(tǒng)來講,自然同外界絕熱,所以講孤立系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的一切熱經(jīng)過都不會使系統(tǒng)內(nèi)的熵減小.或者講孤立系統(tǒng)內(nèi)的可逆經(jīng)過不改變系統(tǒng)的熵,不可逆經(jīng)過使系統(tǒng)內(nèi)的熵增加,然而自然界發(fā)生的熱經(jīng)過都是不可逆的,所以能夠得到結(jié)論:孤立系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的一切實(shí)際熱經(jīng)過都是使系統(tǒng)的熵增加的經(jīng)過,即熵增加原理[2].2熱力學(xué)第二定律的質(zhì)疑熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律一起組成了熱力學(xué)的基礎(chǔ),使熱力學(xué)建立起了完好的理論體系,并成為了物理學(xué)的重要組成部分.任何一個理論的建立都不是一帆風(fēng)順的,它也經(jīng)受過很屢次的質(zhì)疑和錯誤的應(yīng)用.熱力學(xué)第二定律能夠講是一個描繪敘述比擬狡猾和小心翼翼的定律.華而不實(shí)的其他變化并沒有指明是什么變化,一個孤立系統(tǒng)把該定律的使用條件限定在了一個特定的范圍之內(nèi),但是,諸多人在對熱力學(xué)第二定律的研究經(jīng)過中也提出過質(zhì)疑,也給它出了難題.2.1麥克斯韋妖麥克斯韋妖是一個形象而有趣的小妖怪,它沒有很高的本領(lǐng),不是像神話片里那樣呼風(fēng)喚雨、上天入地、法力無邊的靈怪,只是它具有非凡的分辨能力.實(shí)際上這是麥克斯韋在研究熱力學(xué)第二定律的時候進(jìn)行的理想實(shí)驗(yàn)中假想的一個角色,但是卻是一個深切進(jìn)入人心的角色.當(dāng)時在研究熱力學(xué)第二定律的時候,麥克斯韋提出了這樣一個反例,用一塊隔板把一個裝滿氣體的箱子分成A和B兩個部分,隔板上有一個可開啟的小孔,能夠通過分子.麥克斯韋設(shè)想了一個能夠分辨分子運(yùn)動的小妖怪,讓它站在小孔旁邊操作開關(guān),當(dāng)A中有速度快的分子飛來時,就關(guān)閉小孔不讓通過,同時,對于從B飛來的速度快的分子不讓通過,而慢速的分子飛來時打開小孔讓其通過飛往A,這樣A中的分子平均動能減少,B中分子平均動能增加.由于溫度是分子平均動能的標(biāo)志,這樣做的結(jié)果使本來等溫的A和B兩部分逐步出現(xiàn)溫度差,而且溫差會越來越大.于是違犯熱力學(xué)第二定律的事情發(fā)生了:內(nèi)能從低溫部分A流向了高溫部分B,而且伴隨這一現(xiàn)象并沒有做功,只要這個小妖精指揮的作用.那么這個理想實(shí)驗(yàn)?zāi)芊窬驼娴倪`犯了熱力學(xué)第二定律呢?對于這個理想實(shí)驗(yàn)的解釋最有講服力的應(yīng)該屬于信息論的解釋.事實(shí),麥克斯韋妖使內(nèi)能從低溫物體A流向了高溫物體B,這是一個熵減少的經(jīng)過,然而麥克斯韋妖要做到這個,他需要識別分子的速度,就要用光照射分子,光反射回眼睛,在進(jìn)入大腦進(jìn)行分析判定,大腦再指揮手去開關(guān)小孔,這伴隨著熱產(chǎn)生的做功經(jīng)過是一個熵增加的不可逆經(jīng)過,這兩個經(jīng)過的總效果是一個熵增加的經(jīng)過,那么對于這個實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)而言這是一個熵增加的經(jīng)過[3],也就是講這個小妖精即使真的存在也不違犯熱力學(xué)第二定律.2.2熱寂講熱寂講是克勞修斯在晚年的時候提出的.克勞修斯的熵增加原理是在孤立系統(tǒng)的環(huán)境下成立的一個原理,揭示了自然經(jīng)過是向著熵增加的方向進(jìn)行的,并且是不可逆的.但是,他卻將該原理推廣到整個宇宙,得出了宇宙的熱寂講.克勞修斯在1865年的演講中,把熵增加原理應(yīng)用到了整個宇宙當(dāng)中,得出了宇宙的熵趨于一個極大值的結(jié)論.接著在1867年的演講中指出:宇宙的熵越接近其熵的極大值的極限狀態(tài),它繼續(xù)發(fā)生變化的幾率就會越少,若是宇宙完全到達(dá)了這樣的狀態(tài),它就不會再出現(xiàn)進(jìn)一步的發(fā)展變化,宇宙便處在一個靜止的永遠(yuǎn)恒久狀態(tài).熱寂講的提出遭到了不少科學(xué)家的指責(zé)和批評,他們以為地球上通過實(shí)驗(yàn)得到的規(guī)律推廣到無限、開放的宇宙中是不可取的,犯了形而上學(xué)上的錯誤.后繼的科學(xué)發(fā)展也提供了大量的事實(shí)證明宇宙演變的經(jīng)過并不遵循這一結(jié)論[4].熱寂講研究對象并不符合熱力學(xué)第二定律的使用條件,用它得出的這個結(jié)論也必然是錯誤的,世界是一個開放的系統(tǒng),宇宙更是一個無限大的開放系統(tǒng),它們是在不斷的發(fā)展、運(yùn)動和變化著的.錯誤的結(jié)論自然也不能否認(rèn)熱力學(xué)第二定律.2.3生物進(jìn)化熵增加原理以為一個孤立的系統(tǒng)變化將向著熵增加的方向發(fā)展,也就是事物的發(fā)展從有序向著無序的方向發(fā)展.但是達(dá)爾文的生物進(jìn)化論卻以為地球上的生物物種從少到多,從簡單到復(fù)雜,呈現(xiàn)從無序到有序的進(jìn)化趨勢.熵增加原理與生物進(jìn)化論都是在實(shí)際規(guī)律中總結(jié)出來的科學(xué)規(guī)律,都是可信的,那么二者是不是互相違犯呢?1977年諾貝爾化學(xué)獎獲得者普里高津提出的耗散構(gòu)造理論能夠給出解釋.根據(jù)耗散構(gòu)造理論,一個系統(tǒng)的熵由兩部分組成,其一是系統(tǒng)本身因不可逆經(jīng)過引起的熵(dis),永遠(yuǎn)是正的,其二是系統(tǒng)與環(huán)境交換物質(zhì)和能量引起的熵(dcs),它可正可負(fù).所以系統(tǒng)熵的變化dS=dis+dcs也就是可正可負(fù)的.對于孤立系統(tǒng)而言,由于沒有與外界能量物質(zhì)的交換,dc=0,則dS=dis0,因此熵總是增加的,由有序走向無序;而對于開放的生物系統(tǒng)而言,存在與外界環(huán)境的物質(zhì)與能量的交換,只要從環(huán)境中流入的負(fù)熵足以抵消系統(tǒng)本身的熵的增加,就能夠使系統(tǒng)的總熵減少,進(jìn)而從無序向著有序發(fā)展進(jìn)化.生物進(jìn)化與熵增也并不矛盾,生物是不斷成長的,不斷的與周圍的環(huán)境發(fā)生物質(zhì)和能量的交換,因而不能對熱力學(xué)第二定律提出否認(rèn)[5].3結(jié)束語熵增加原理是在科學(xué)家們的質(zhì)疑和論證中建立起來的,并且也經(jīng)受住了質(zhì)疑和考驗(yàn).理論上,熱力學(xué)第二定律和熵增加原理都指明了自然界中宏觀的自然現(xiàn)象的變化的方向問題.只是熵增加原理是從微觀的角度提出熵的概念來描繪敘述熱力學(xué)第二定律所表現(xiàn)的宏觀狀態(tài),并且給出了定量的數(shù)學(xué)關(guān)系.從發(fā)展建立的經(jīng)過來看,熱力學(xué)第二定律也同其他理論一樣,在困難的環(huán)境中發(fā)展進(jìn)步,在質(zhì)疑和論證中建立和完善.我們的學(xué)生也應(yīng)該像科學(xué)家一樣,勇于對一些觀點(diǎn)提出質(zhì)疑,擅