熱力學第二定律微觀解釋第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日一個“妖精”，神通廣大，能跟蹤充滿容器的每個氣體分子的運動。把這個容器用一道隔板分為A，B兩部分，并在隔板上安裝一個閥門，當閥門打開時單個氣體分子可以從容器的一部分經過閥門進入另一部分去。

假設這個容器開始時完全充滿了一定溫度的氣體，按照熱的動力論，一定的溫度對應于分子的一定的平均溫度，因為氣體分子的運動具有隨機性質，有的分子的速度將大于平均值，有的則將小于平均值。妖精在適當的時候打開閥門，讓快的分子從B進入A，慢的分子從A進入B，結果不須消耗能量，B部分的溫度就下降，A部分的溫度就上升，熱量可以自發地從低溫物體流向高溫物體。第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日一般的解釋是：妖精必須得到一些“知識”，才能把“快”分子和“慢”分子區分開來。為了獲得這些信息，要不要消耗能量？如果需要，則容器、氣體、隔板、妖精作為封閉系統，為得到所要信息所需的能量，將不大于因利用這一信息而消耗的能量，并沒有違反熱力學第二定律。

麥克斯韋的妖精能破壞熱力學第二定律嗎？第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日自發過程總是從有序到無序演化但是麥克斯韋的妖精可以使其向有序化發展，酶，就是生命中的麥克斯韋的妖精；而人類全體作為麥克斯韋的妖精，增加著社會的有序度。畢竟，“妖精”，用通俗的話說，是個生物，也是個信息系統，“妖精”就是對宇宙演化的一種抗爭。

第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日熱力學第二定律的微觀解釋第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日

熱力學第一定律給出了各種形式的能量在相互轉化過程中必須遵循的規律，但并未限定過程進行的方向。

凡符合熱一律的過程---即符合能量守恒的過程是否都能實現呢？實驗表明，自然界中一切與熱現象有關的宏觀過程都是有方向性的。一、自然過程的方向性熱傳導過程例如：氣體的絕熱自由膨脹過程。

這些典型例子說明自然界的實際過程是按一定的方向進行的，相反方向的過程不能自動發生，或者說，如果可以發生，則必然引起其它后果。第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日

熱力學第一定律無法對這類問題作出解釋，需要一個獨立于熱力學第一定律的新的自然規律，即熱力學第二定律來解釋。二、熱力學第二定律

不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用的功而不產生其他影響。

功可以完全變熱，但要把熱完全變為功而不產生其它影響是不可能的。

1851年開爾文總結出熱力學過程進行的限度。1.開爾文表述

以熱機為例，熱機的循環除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫熱源傳給低溫熱源，即產生了其它效果。第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日熱全部變為功的過程也是有的，如，理想氣體等溫膨脹。但這時引起了其它的變化。開爾文表述否定了熱機效率能達百分這百的可能性高溫熱源T1=0第二類永動機（單熱機）不能制成。第二類永動機第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日高溫熱源T1低溫熱源T2

與之相應的經驗事實是，當兩個不同溫度的物體相互接觸時，熱量將自動地由高溫物體向低溫物體傳遞，而不可能自發地由低溫物體傳到高溫物體。

如果借助制冷機，當然可以把熱量由低溫傳遞到高溫，但要以外界作功為代價，也就是引起了其它變化?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗н^程是有方向的。2、克勞修斯表述

熱量不能自動地從低溫熱源傳到高溫熱源而不引起其它的變化。第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日1.從開爾文表述入手假定單熱機是可以造成的，則高溫源低溫源Q高溫熱源T1低溫熱源T2高溫熱源T1低溫熱源T23、兩種表述是統一的2.從克勞修斯表述入手高溫熱源T1低溫熱源T2高溫熱源T1

假定熱量能自動地從低溫源傳到高溫源，則單熱機也能造成。熱力學過程是有方向性的。第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.可逆過程與不可逆過程

為了進一步研究熱力學第二定律的含義和熱力學過程方向性問題，引入可逆過程的概念。

一個系統，由一個狀態出發經過某一過程達到另一狀態，如果存在另一個過程，它能使系統和外界完全復原（即系統回到原來狀態，同時消除了原過程對外界引起的一切影響）則原來的過程稱為可逆過程；單擺運動：一個單擺，如果不受空氣阻力及其它摩擦力，當它離開某一位置后，經過一個周期又回到原來的位置而周圍一切都無變化。

反之，如果物體不能回復到原來狀態或當物體回復到原來狀態卻無法消除原過程對外界的影響，則原來的過程稱為不可逆過程。無摩擦和阻力的單擺運動是一個可逆過程。第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日單純的無機械能耗散的機械運動過程都是可逆過程。理想氣體絕熱自由膨脹是不可逆的。在隔板被抽去的瞬間，氣體聚集在左半部，這是一種非平衡態，此后氣體將自動膨脹充滿整個容器。最后達到平衡態。其反過程由平衡態回到非平衡態的過程不可能自動發生。A

在熱現象中，可逆過程只有在準靜態和無摩擦的條件下才有可能。無摩擦準靜態過程是可逆的。經驗和事實表明，自然界中真實存在的過程都是按一定方向進行的，都是不可逆的。理想氣體熱傳導過程是不可逆的。熱量總是自動地由高溫物體傳向低溫物體，從而使兩物體溫度相同，達到熱平衡。從未發現其反過程，使兩物體溫差增大。第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日可逆傳熱的條件是：系統和外界溫差無限小，即等溫熱傳導。氣體的迅速膨脹過程是不可逆的。

但是當氣體膨脹非常緩慢又沒有其它摩擦時，它卻是可逆的。結論：1）一切自發過程都是不可逆過程。2）準靜態過程（無限緩慢）+無摩擦的過程是可逆過程。3）一切實際過程都是不可逆過程。

可逆過程是一種理想的極限，只能接近，絕不能真正達到。因為，實際過程都是以有限的速度進行，且在其中包含摩擦，粘滯，電阻等耗散因素，必然是不可逆的。第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日可逆過程是理想化的過程。強調：不可逆過程不是不能逆向進行，而是說當過程逆向進行時，逆過程在外界留下的痕跡不能將原來正過程的痕跡完全消除。

熱力學第二定律說明了自然界的實際過程是按一定的方向進行的，是不可逆的，相反方向的過程不能自動發生，或者說，如果可以發生，則必然引起其它后果。

開氏表述實質上在于說明功變熱的過程是不可逆的。熱力學第二定律的實質在于指出：一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。它所揭示的客觀規律向人們指出了實際宏觀過程進行的條件和方向?？耸媳硎鰧嵸|上在于說明熱傳導過程是不可逆的。第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日1.有序和無序有序：只要確定了某種規則，符合這個規則的就叫做有序。無序：不符合某種確定規則的稱為無序。無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。有序和無序是相對的。2.宏觀態和微觀態宏觀態：符合某種規定、規則的狀態，叫做熱力學系統的宏觀態。微觀態：在宏觀狀態下，符合另外的規定、規則的狀態叫做這個宏觀態的微觀態。系統的宏觀態所對應的微觀態的多少表現為宏觀態無序程度的大小。如果一個“宏觀態”對應的“微觀態”比較多，就說這個“宏觀態”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無序。3.熱力學第二定律的統計意義第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日分布（宏觀態）詳細分布（微觀態）14641不可逆過程的統計性質（以氣體自由膨脹為例）

一個被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個涂以不同顏色分子，下圖是分布情況。第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二定律的統計表述（依然看前例）4個分子在容器中的分布對應5種宏觀態。分布（宏觀態）詳細分布（微觀態）17各種分布的狀態總數分布的可能狀態數分布幾率Ω1/164/166/164/161/16第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日熵與熱力學概率玻耳茲曼關系式Ω熱力學概率（微觀狀態數）、無序度、混亂度.分布幾率Ω1/164/166/164/161/16

“熵”(用S表示)是德國物理學家克勞修斯在1850年創造的一個術語，他用熵來表示任何一種能量在空間分布的均勻程度。

玻耳茲曼證明了熵S與微觀態數目（分布幾率Ω）之間的關系，普朗克把它寫成

熱力學第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日

熵和系統內能一樣都是一個狀態函數，僅由系統的狀態決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。S=KlnΩ

從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律：一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發展。在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵不會減小熵增加原理熵與熵增加原理第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日對整個宇宙不適用。平衡態:相應于一定宏觀條件下最大的狀態。最平均、最無序、最混亂。熱力學第二定律的統計表述：孤立系統內部所發生的過程總是從包含微觀態數少的宏觀態向包含微觀態數多的宏觀態過渡，從熱力學幾率小的狀態向熱力學幾率大的狀態過渡。自然過程總是向著使系統熱力學幾率增大的方向進行。4.熱力學第二定律的適用范圍一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。1）適用于宏觀過程對微觀過程不適用，2）孤立系統有限范圍。可逆過程：熵不變，實際不存在，如等溫過程，實際不存在不可逆過程：熵增加第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日24耗散結構

（1）宇宙真的正在走向死亡嗎？

實際宇宙萬物，宇宙發展充滿了無序到有序的發展變化

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（2）生命過程的自組織現象生物體的生長和物種進化是從無序到有序的發展.第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日25

（3）無生命世界的自組織現象云、雪花、太陽系、化學實驗、熱對流、激光等.

（和外界有能量交換和物質交換的系統叫開放系統）（4）開放系統的熵變開放系統熵的變化第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日有效能量告罄時，是“熱寂”──死寂的熱平衡狀態。

有效物質耗盡時，是一片“物質混亂”──整個宇宙的大混亂和大混沌。

物理學家們認為，熵定律是物質世界的最終定律，人類參與的每一項物質活動都受到熱力學第一、第二定律的嚴密制約；但是，他們又認為熵定律只涉及物質世界，只控制時空的橫向世界，人類的精神世界并不受熵定律的專制統治！

所以，生命的現象是宇宙洪流中的一股逆流！

人類精神的無限發展，是不可抗拒的熵增大長河中的一條逆流之舟！

第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日1．電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內部傳給溫度較高的外界空氣，這說明了A．熱量能自發地從低溫物體傳給高溫物體B．在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C．熱量的傳導過程不具有方向性D．在自發地條件下熱量的傳導過程具有方向性BD第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止。系統的熵如何變化？解析：因為物體由于受到摩擦力而停止運動，其動能變為系統的內能，增加了系統分子無規則運動的程度，使得無規則運動加強，也就是系統的無序程度增加了，所以系統的熵增加。第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日3.下面關于熵的說法錯誤的是A．熵是物體內分子運動無序程度的量度B．在孤立系統中，一個自發的過程總是向熵減少的方向進行C．熱力學第二定律的微觀實質是熵是增加的，因此熱力學第二定律又叫熵增加原理D．熵值越大，代表系統分子運動越無序[精與解]熱力學第二定律提示：一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的。例如，功轉變為熱是機械能或電能轉變為內能的過程是大量分子的有序運動向無序運動轉化，氣缸內燃氣推動活塞做功燃氣分子作有序運動，排出氣缸后作越來越無序的運動。物理學中用熵來描述系統大量分子運動的無序性程度。熱力學第二定律用熵可表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵不會減小，也就是說，一個孤立系統的熵總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展。反映了一個孤立系統的自然過程會沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。

B第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日4.關于有序和無序下列說法正確的是（）A．有序和無序不是絕對的B．一個“宏觀態”可能對應著許多的“微觀態”C．一個“宏觀態”對應著唯一的“微觀態”D．無序意味著各處一樣、平均、沒有差別ABD5.根據熱力學第二定律判斷，下列說法正確的是（）A．內能可以自發的轉變成機械能B．擴散的過程完全可逆的C．火力發電時，燃燒物質的內能不可以全部轉化為電能D．熱量不可能自發的從低溫物體傳遞到高溫物體CD第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日6.倒一杯熱水，然后加入適當的糖后，糖會全部溶于水中，但一段時間后又觀察到杯底部有糖結晶，關于這個過程下列敘述正確的是（）A．溶解過程是自發的，結晶過程也是自發的，因此熱力學第二定律是錯誤的B．溶解過程是有序向無序轉變的過程C．結晶過程是有序向無序轉變的過程D．結晶過程不是自發的，因為有外界的影響BD7.下列說法正確的是()A．如果大量分子的集合從A分布進入B分布的概率大于從B分布進入A分布，則B分布更無序B．如果大量分子的集合從A分布進入B分布的概率大于從B分布進入A分布，則A分布更無序C．大量分子的集合能自發地從A分布進入B分布，則該過程是可逆的D．大量分子的集合能自發地從A分布進入B分布，則該過程是不可逆的AD第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日8.一個密閉的容器內有稀薄氣體，在容器上開一個小口，外部的空氣就會流入容器，在氣體流入過程中，容器內靠近開口處的空氣密度暫時變得比內部大，以下說法正確的是（）A．此時容器內氣體處于一個不平衡狀態，是一個最無序的狀態B．外界的影響破壞了容器內氣體的平衡C．上面事實說明熱力學第二定律只適用于封閉系統D．對一個開放系統并不一定是最無序的分布BCD第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日9.下列說法正確的是（）A．熱力學第二定律只在一定前提條件下才能成立B．熱力學第二定律揭示了一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行C．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性D．熱力學第二定律揭示了有大量分子參與宏觀過程的方向性ABCD10.從微觀角度看（）A．熱力學第二定律是一個統計規律B．一個孤立系統總是從熵大的狀態向熵小的狀態發展C．一個宏觀狀態所對應的微觀狀態越多，越是無序，熵值越大D．出現概率越大的宏觀狀態，熵值越大ACD第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日11.下列說法正確的是（）A．與熱現象有關的自發的宏觀過程是有方向性的B．與熱現象有關的自發的宏觀過程是熵增加的過程C．氣體