东南大学：《大学物理学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第十三章 热力学基础（13.8）热力学第二定律的统计解释

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 熵与无序(Enpy& Disorder) ◆热力学第二定律的实质 (ESsence of second law of thermodynamics) 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆 In nature the macro-processes with the thermal phenomenon are all irreversible processes >扩散过程( Diffusion process) 自发 Spontaneously V+△ 外力压缩 External compression 第十三章热力学基础 1/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 1/17 一 熵与无序(Entropy & Disorderly) 热力学第二定律的实质 (Essence of second law of thermodynamics) 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆 的 V 外力压缩 V +V External compression ➢ 扩散过程(Diffusion process) 自发Spontaneously In nature the macro-processes with the thermal phenomenon are all irreversible processes

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 热功转换( The conversion ofheat&work) 功 完全T0tly 热 Work 不完全NOn-tly heat 有序 自发 无序 O raer Spontaneously Disorder 功变热不可逆 开尔文表述 Irreversibility of Kelvin work into heat statement 第十三章热力学基础 2/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 2/17 ➢ 热功转换(The conversion of heat & work) 完全Totally 功 Work 不完全Non- totally 热 Heat 无序 Disorder 有序 Order 自发 Spontaneously 开尔文表述 Kelvin statement 功变热不可逆 Irreversibility of work into heat

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 >热传导( The heat conduction) 高温物体发 Spontaneousl低温物体 High High temperature 非自发传热 temperature obiects Non-spontaneously obiects 非均匀非平衡 自发 均匀平衡 Non-uniform Uniform non-equilibrium Spontaneouslyeguilibrium 热传导不可逆 克劳修斯表述 Irreversibility of work Clausius into heat statement 第十三章热力学基础 3/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 3/17 ➢热传导(The heat conduction) 高温物体 自发Spontaneously High temperature objects 非自发传热 Non- spontaneously 低温物体 High temperature objects 均匀平衡 Uniform equilibrium 非均匀非平衡 Non-uniform non-equilibrium 自发 Spontaneously 克劳修斯表述 Clausius statement 热传导不可逆 Irreversibility of work into heat

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 无序度和微观状态数 Disorderly degrees Numbers of micro-state 不可逆过程的本质 CThe nature of irreversible process) 系统从热力学概率小的宏观状态向热力学概率 大的宏观状态进行的过程 A system always goes through the transition from a macro-state with smaller thermodynamic probability to a macro-state with greater thermodynamic probability. 切自发过程的普遍规律 The universal law of all spontaneous processes 第十三章热力学基础 4/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 4/17 不可逆过程的本质 (The nature of Irreversible process) 系统从热力学概率小的宏观状态向热力学概率 大的宏观状态进行的过程 . 二 无序度和微观状态数 (Disorderly degrees & Numbers of micro-state) A system always goes through the transition from a macro-state with smaller thermodynamic probability to a macro-state with greater thermodynamic probability. 一切自发过程的普遍规律 The universal law of all spontaneous processes

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 概率小的宏观状态 概率大的宏观状态 A macro-state with A macro-state with smaller probability greater probability 理想气体自由膨胀 Free expansion of ideal gas B 第十三章热力学基础 5/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 5/17 概率小的宏观状态 A macro-state with smaller probability 概率大的宏观状态 A macro-state with greater probability 理想气体自由膨胀 Free expansion of ideal gas

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 ◆理想气体的自由膨胀(扩散)为例: ◆讨论N个粒子在空间的分布问题B 可分辨的粒子开始集中在左空间,左右空间体积相等。 N=1n=2=2W=1/2 微观态宏观态 宏观态对应概率 微观态数目 1/2 1/2 第十三章热力学基础 6/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 6/17 可分辨的粒子开始集中在左空间,左右空间体积相等。 1 1, 2 2, 1/ 2, N n W = = = = n 理想气体的自由膨胀(扩散)为例： 讨论N 个粒子在空间的分布问题 微观态 宏观态 宏观态对应 微观态数目 概率 1 1 1/2 1/2

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 N=2,n=22=4,W=1/4, 微观态宏观态宏态对应概率 1/4 2/4 1/4 第十三章热力学基础 7/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 7/17 2 2, 2 4, 1/ 4, N n W = = = = n 微观态 宏观态 宏观态对应 微观态数目 概率 1 1 2 1/4 1/4 2/4

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 N=3,n=2=8.W=1/8., 微观态宏观态 宏观态对应 微观态数目概率 1/8 ●● 3 3/8 o|● 3 3/8 ●●| 1/8 第十三章热力学基础 8/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 8/17 微观态 宏观态 宏观态对应 微观态数目 概率 1/8 3/8 3/8 1/8 1 3 3 1 3 3, 2 8, 1/ 8, N n Wn = = = =

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 宏观态 宏观态 微观态宏观态对应微概率微观态宏观态对应微概率 观态数 观态数 圖画116网[阃 1/16 4/16 國回 kQk回 网,网6 6/16 回 可d k/心网 4/16 N=4,n=2=16W=16, 第十三章热力学基础 9/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 9/17 微观态 宏观态 概 率 宏观态 对应微 观态数 微观态 宏观态 宏观态 对应微 观态数 概 率 4 N n W = = = = 4, 2 16, 1 16, 4 4 1 6 1 4/16 4/16 1/16 1/16 6/16

物理学 13-8热力学第二定律的统计解释 第五版 粒子膨胀后全部出现在左空间的几率与粒子数关系: W (左) 212 2 4 2 6.023×1023 =10 18×102 10 1.6×10 A B 44 =10 441026030:1010100 第十三章热力学基础 10/17

13-8 热力学第二定律的统计解释 第十三章 热力学基础 物理学 第五版 10/17 N 1 2 4 N W 2 4 2 1 2 1 2 1 N 2 1  0 （左） 粒子膨胀后全部出现在左空间的几率与粒子数关系： 23 23 6.023 10 1.8 10 2 10 −  −  = 5 5 10 1.6 10 44 10 − −  = 5 23 18 10 6.023 10 10 44 2 :10 − −   1000000000000000000 10