熱力學(xué)第二定律的微觀解釋

1熱力學(xué)第二定律的微觀解釋2不可逆過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)（以氣體自由膨脹為例）

下面從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)探討過(guò)程的不可逆性微觀意義，并由此深入認(rèn)識(shí)第二定律的本質(zhì)。

熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。在熱力學(xué)中，序：區(qū)分度。

對(duì)于一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們認(rèn)為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認(rèn)為它處于無(wú)序的狀態(tài)。首先理解有序和無(wú)序的概念。

一個(gè)被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個(gè)涂以不同顏色分子。3.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義熱力學(xué)第二定律的微觀意義3分布（宏觀態(tài)）詳細(xì)分布（微觀態(tài)）14641開(kāi)始時(shí)，4個(gè)分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴(kuò)散并在整個(gè)容器內(nèi)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：4

微觀態(tài)共有24=16種可能的方式，而且4個(gè)分子全部退回到A部的可能性即幾率為1/24=1/16。

一般來(lái)說(shuō)，若有N個(gè)分子，則共2N種可能方式，而N個(gè)分子全部退回到A部的幾率1/2N.對(duì)于真實(shí)理想氣體系統(tǒng)N1023/mol，這些分子全部退回到A部的幾率為。此數(shù)值極小，意味著此事件永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。從任何實(shí)際操作的意義上說(shuō)，不可能發(fā)生此類(lèi)事件。

對(duì)單個(gè)分子或少量分子來(lái)說(shuō)，它們擴(kuò)散到B部的過(guò)程原則上是可逆的。

對(duì)大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們向B部自由膨脹的宏觀過(guò)程實(shí)際上是不可逆的。這就是宏觀過(guò)程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計(jì)解釋。;蘋(píng)果售后維修點(diǎn)/蘋(píng)果售后維修點(diǎn)；頓寫(xiě)一封內(nèi)容尖刻的信回敬那家伙?！翱梢院莺莸亓R他一頓?！绷挚险f(shuō)。斯坦頓立刻寫(xiě)了一封措辭強(qiáng)烈的信，然后拿給總統(tǒng)看。“對(duì)了，對(duì)了。”林肯高聲叫好，“要的就是這個(gè)！好好訓(xùn)他一頓，真寫(xiě)絕了，斯坦頓?！钡钱?dāng)斯坦頓把信疊好裝進(jìn)信封里時(shí)，林肯卻叫住他，問(wèn)道：“你要干什么？”“寄出去呀?！彼固诡D有些摸不著頭腦了?！安灰[。”林肯大聲說(shuō)，“這封信不能發(fā)，快把它扔到爐子里去。凡是生氣時(shí)寫(xiě)的信，我都是這么處理的。這封信寫(xiě)得好，寫(xiě)的時(shí)候你己經(jīng)解了氣，現(xiàn)在感覺(jué)好多了吧，那么就請(qǐng)你把它燒掉，再寫(xiě)第二封信吧?！?、果斷有一個(gè)6歲的小男孩，一天在外面玩耍時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)鳥(niǎo)巢被風(fēng)從樹(shù)上吹掉在地，從里面滾出了一個(gè)嗷嗷待哺的小麻雀。小男孩決定把它帶回家喂養(yǎng)。當(dāng)他托著鳥(niǎo)巢走到家門(mén)口的時(shí)候，他突然想起媽媽不允許他在家里養(yǎng)小動(dòng)物。于是，他輕輕地把小麻雀放在門(mén)口，急忙走進(jìn)屋去請(qǐng)求媽媽。在他的哀求下媽媽終于破例答應(yīng)了。小男孩興奮地跑到門(mén)口，不料小麻雀已經(jīng)不見(jiàn)了，他看見(jiàn)一只黑貓正在意猶未盡舔著嘴巴。小男孩為此傷心了很久。但從此他也記住了一個(gè)教訓(xùn)：只要是自己認(rèn)定的事情，決不可優(yōu)柔寡斷。這個(gè)小男孩長(zhǎng)大后成就了一番事業(yè)，他就是華裔電腦名人—王安博士。7、將軍和驢子古羅馬皇帝哈德良曾經(jīng)碰到過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題。皇帝手下的一位將軍，覺(jué)得他應(yīng)該得到提升，便在皇帝面前提到這件事，以他的長(zhǎng)久服役為理由?！拔覒?yīng)該升更重要的領(lǐng)導(dǎo)崗位”，他報(bào)告，“因?yàn)?，我的?jīng)驗(yàn)豐富，參加過(guò)10次重要戰(zhàn)役?！惫铝蓟实凼且粋€(gè)對(duì)人及才華有著高明判斷力的人，他不認(rèn)為這位將軍有能力擔(dān)任更高的職務(wù)，于是他隨意指著綁在周?chē)膽?zhàn)驢說(shuō)：“親愛(ài)的將軍，好好看這些驢子，它們至少參加過(guò)20次戰(zhàn)役，可他們?nèi)匀皇求H子?！?、馬蠅效應(yīng)1860年美國(guó)總統(tǒng)大選結(jié)束后，林肯當(dāng)選為總統(tǒng)。他任命參議員薩蒙?蔡斯為財(cái)政部長(zhǎng)。有許多人反對(duì)這一任命。因?yàn)椴趟闺m然能干，但十分狂妄自大，他本想入主白宮，卻輸給了林肯，他認(rèn)為自己比林肯要強(qiáng)得多，對(duì)林肯也非常不滿，并且一如既往地追求總統(tǒng)職位。林肯對(duì)關(guān)心他的朋友講了這樣一個(gè)故事：“在農(nóng)村長(zhǎng)大的朋友們一定知道什么是馬蠅了。有一次，我和我的兄弟在肯塔基老家的一個(gè)農(nóng)場(chǎng)犁玉米地，我吆馬，他扶犁。這匹馬很懶，但有一段時(shí)間它卻在地里跑得飛快，連我這雙長(zhǎng)腿都差點(diǎn)跟不上。到了地頭，我發(fā)現(xiàn)有一只很大的馬蠅叮在它身上，我隨手就把馬蠅打落了。我兄弟問(wèn)我為什么要打落它，我說(shuō)我不忍心看著這匹馬那樣被咬。我兄弟說(shuō)：“唉呀，正是這家伙才使馬跑得快嘛。”然后，林肯說(shuō)：“如果現(xiàn)在有一只叫‘總統(tǒng)欲’的馬蠅正叮著蔡斯先生，那么只要它能使蔡斯和他的那個(gè)部不停地跑，我就不想去打落它。”9、潛水艇中的15個(gè)小時(shí)二戰(zhàn)快結(jié)束時(shí)，有個(gè)叫羅勃?摩爾的小伙子正在海軍服役。他講述了親身經(jīng)歷的一件事。"1945年3月，我在中南半島附近276英尺的海下，學(xué)習(xí)到了人生最重要的一課。當(dāng)時(shí)我正在一艘潛水艇上，我們從雷達(dá)上發(fā)現(xiàn)了一支日本艦隊(duì)——一艘驅(qū)逐護(hù)航艦、一艘油輪和一艘布雷艦朝我們這邊開(kāi)過(guò)來(lái)。我們發(fā)射了五枚魚(yú)雷，都沒(méi)有擊中。突然那艘布雷艦直朝我們開(kāi)來(lái)(一架日本飛機(jī)把我們的位置用無(wú)線電通知了它)。我們潛到150英尺深的地方，以免被它偵察到，同時(shí)做好應(yīng)付深水炸彈的準(zhǔn)備，還關(guān)閉了冷卻系統(tǒng)和所有的發(fā)電機(jī)。"3分鐘后，天崩地裂。6枚深水炸彈在四周炸開(kāi)，把我們直壓海底276英尺的地方。深水炸彈不停地投下，整整15個(gè)小時(shí)，有十幾個(gè)二十個(gè)就在離我們50英尺左右的地方爆炸要是深水炸彈距離潛水艇不到17英尺的話，潛艇就會(huì)炸出洞來(lái)。"當(dāng)時(shí)，我們奉命靜靜地躺在自己的床上，保持鎮(zhèn)定。我嚇得幾乎無(wú)法呼吸，不停地對(duì)自己說(shuō):。這下可死定了。潛水艇的溫度幾乎有攝氏40度，可我卻怕得全身發(fā)冷，一陣陣冒冷汗。15個(gè)小時(shí)后，攻擊停止了，顯然那艘布雷艦用光了所有的炸彈而離開(kāi)了。"這15個(gè)小時(shí)，在我感覺(jué)好像有1500萬(wàn)年，我過(guò)去的生活一一在眼前出現(xiàn)，我記起了做過(guò)的所有壞事和曾經(jīng)擔(dān)心過(guò)的一些很無(wú)聊的小事。我曾經(jīng)擔(dān)心過(guò):沒(méi)有錢(qián)買(mǎi)自己的房子，沒(méi)有錢(qián)買(mǎi)車(chē)，沒(méi)有錢(qián)給妻子買(mǎi)衣服。下班回家，常常和妻子為一點(diǎn)芝麻小事而爭(zhēng)吵。我還為我額頭上的一個(gè)小疤——一次車(chē)禍留下的傷痕——發(fā)過(guò)愁。"所有這些年來(lái)的愁苦煩惱，在此時(shí)此刻都顯得那么荒謬、渺小，而我過(guò)去居然對(duì)他們很在意。"10、參照標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)人去買(mǎi)碗，他懂得一些識(shí)別瓷器質(zhì)量的方法，即用一只碗輕撞其它碗，發(fā)出清脆聲音的碗肯定是質(zhì)地好的。但來(lái)到店里，他卻發(fā)現(xiàn)每一只碗發(fā)出的聲音都不夠清脆。最后店員拿出價(jià)格高昂的工藝碗，結(jié)果還是讓他不甚滿意。店員最后不解地問(wèn)：“你為什么拿著碗輕撞它呢？”那人說(shuō)這是一種辨別瓷器質(zhì)量的方法。店員一聽(tīng)，立即取過(guò)一只質(zhì)量上好的碗交給他：“你用這只碗去試試。”他換了碗，再去輕撞其它的碗，聲音變得鏗鏘起來(lái)。原來(lái)他手中拿著的是一只質(zhì)地很差的碗，它去輕碰每一只碗，都會(huì)發(fā)出混濁之音。合作者變了，參照標(biāo)準(zhǔn)變了，一切也就變了。生活也是如此，你的參照標(biāo)準(zhǔn)如果錯(cuò)了，那么你眼中的整個(gè)世界也就錯(cuò)了。11、最深刻的記憶美國(guó)普林斯頓大學(xué)教授丹尼爾?卡尼曼將心理學(xué)的知識(shí)引入經(jīng)濟(jì)學(xué)，并因此獲得2002年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)?？崧贸龅慕Y(jié)論看上去頗為荒謬，甚至違反直覺(jué)。1996年，卡尼曼做了一個(gè)最為有名的實(shí)驗(yàn)，他研究了682名做結(jié)腸鏡檢查的患者。他將病人隨機(jī)分為兩組，其中一組病人的結(jié)腸鏡檢查稍做延長(zhǎng)，即檢查結(jié)束后，先不抽出管子，而是靜靜地放一會(huì)兒，這時(shí)候病人會(huì)感到不舒服，但已沒(méi)什么大痛。做延長(zhǎng)檢查的病人（不管開(kāi)始階段有多么痛苦）事后都反應(yīng)不錯(cuò)，覺(jué)得下次選擇還是要選結(jié)腸鏡而不是鋇餐和X光。而那些沒(méi)有延長(zhǎng)檢查時(shí)間的病人下來(lái)后則大叫：“真像下地獄啊。”卡尼曼由此得出結(jié)論：“我們?cè)谠u(píng)價(jià)某種經(jīng)驗(yàn)時(shí)，有一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)短的因素。也就是說(shuō)，最后階段的痛苦（或欣悅）程度決定了我們對(duì)整個(gè)事件的記憶與評(píng)價(jià)。這對(duì)我們預(yù)期某種決策以及每天利用這一“捷徑”做出上百個(gè)決定極為有用。12、熱愛(ài)的奇跡美國(guó)西部電器公司委托著名的梅奧教授，希望他能使下屬的一家工廠里的女工提高生產(chǎn)效率。根據(jù)這些工人從事的非常單調(diào)的電磁鐵繞線圈的工作，梅奧提出下午讓工人們有10分鐘的喝咖啡的休息時(shí)間，結(jié)果產(chǎn)量立刻增長(zhǎng)。這時(shí)，梅奧進(jìn)一步在上午也給工人10分鐘喝咖啡的休息時(shí)間，生產(chǎn)再次增長(zhǎng)。但是，梅奧沒(méi)有就此罷手，他開(kāi)始宣布取消了下午的休息時(shí)間，產(chǎn)量仍在增長(zhǎng)；接著他又取消了上午的喝咖啡時(shí)間，但是產(chǎn)量繼續(xù)增長(zhǎng)著，工人們沒(méi)有抱怨和怠工現(xiàn)象。這是為什么呢？這項(xiàng)工作的確是單調(diào)枯燥的。當(dāng)有了休息后，工人們都喜歡這一段輕松愉快的時(shí)間，他們互相說(shuō)笑著，談?wù)撝信d趣的話題。當(dāng)聽(tīng)到梅奧向她們解釋了她們?cè)趨⑴c一個(gè)實(shí)驗(yàn)。她們就感到自己正在一個(gè)有意義的程序中工作，有光榮的參與感。不知不覺(jué)中她們熱愛(ài)上了這項(xiàng)工作，熱愛(ài)上了這個(gè)集體。于是這推動(dòng)了工業(yè)心理學(xué)一個(gè)新的探索：熱愛(ài)或興趣似乎比休息、增加報(bào)酬等更能提高人們的生產(chǎn)力。熱愛(ài)讓我們無(wú)論身處什么樣的環(huán)境，而精神都住在一個(gè)自由、美麗的天堂里。熱愛(ài)應(yīng)該成為我們的生存內(nèi)容之一。13、看著我的眼睛2002年，德國(guó)發(fā)生了一樁血案。一個(gè)19歲的小伙子，2001年留級(jí)，2002年又因偽造假條，被校方開(kāi)除。他決心報(bào)復(fù)學(xué)校。4月26日上午，他戴著恐怖的面具，一手握一支手槍?zhuān)皇至嘀B發(fā)獵槍?zhuān)J進(jìn)學(xué)校，見(jiàn)人就打，主要是瞄準(zhǔn)老師，他覺(jué)得是他們讓他蒙受了羞辱。在20分鐘的瘋狂射擊中，他的手槍共打出了40發(fā)子彈，將17人打死，其中有13名老師。他還有大量的子彈，足夠把數(shù)百人送進(jìn)墳?zāi)埂＿@時(shí)候，他的歷史老師海澤先生走過(guò)來(lái)，抓住他的襯衣，試圖同他說(shuō)話。這個(gè)血洗了母校的學(xué)生認(rèn)出了他的老師，他摘掉了自己的面具。海澤先生叫著他的名字說(shuō)，羅伯特，扣動(dòng)你的扳機(jī)吧。如果你現(xiàn)在向我射擊，那就看著我的眼睛!那個(gè)殺人殺紅了眼的學(xué)生，盯著海澤先生看了一會(huì)兒，緩緩地放下了手槍?zhuān)f(shuō)，先生，我今天已經(jīng)足夠了。后來(lái)海澤先生把兇手推進(jìn)了一間教室，猛地關(guān)門(mén)，上了鎖。此后不久，兇手在教室里飲彈自殺。我驚訝海澤先生的勇敢，更驚訝他在這種千鈞一發(fā)之時(shí)說(shuō)出的這句話。正是這句話，喚起了兇手殘存的最后一絲良知，停止了暴行。海澤先生是非常自信的。這不是一種技巧，而是一種堅(jiān)定的修養(yǎng)。是一種長(zhǎng)期潛移默化修煉提升的結(jié)果。一位老師所有的歲月和經(jīng)驗(yàn)，就化成了超人的勇氣和智慧。14、命令是這樣傳遞的據(jù)說(shuō)，美軍1910年的一次部隊(duì)的命令傳遞是這樣的：營(yíng)長(zhǎng)對(duì)值班軍官：明晚大約8點(diǎn)鐘左右，哈雷彗星將可能在這個(gè)地區(qū)被看到，這種彗星每隔76年才能看見(jiàn)一次。命令所有士兵著野戰(zhàn)服在操場(chǎng)上集合，我將向他們解釋這一罕見(jiàn)的現(xiàn)象。如果下雨，就在禮堂集合，我為他們放一部有關(guān)彗星的影片。值班軍官對(duì)連長(zhǎng)：根據(jù)營(yíng)長(zhǎng)的命令，明晚8點(diǎn)哈雷彗星將在操場(chǎng)上空出現(xiàn)。如果下雨，就讓士兵穿著野戰(zhàn)服列隊(duì)前往禮堂，這一罕見(jiàn)的現(xiàn)象將在那里出現(xiàn)。連長(zhǎng)對(duì)排長(zhǎng)：根據(jù)營(yíng)長(zhǎng)的命令，明晚8點(diǎn)，非凡的哈雷彗星將身穿野戰(zhàn)服在禮堂中出現(xiàn)。如果操場(chǎng)上下雨，營(yíng)長(zhǎng)將下達(dá)另一個(gè)命令，這種命令每隔76年才會(huì)出現(xiàn)一次。排長(zhǎng)對(duì)班長(zhǎng)：明晚8點(diǎn)，營(yíng)長(zhǎng)將帶著哈雷彗星在禮堂中出現(xiàn)，這是每隔76年才有的事。如果下雨，營(yíng)長(zhǎng)將命令彗星穿上野戰(zhàn)服到操場(chǎng)上去。班長(zhǎng)對(duì)士兵：在明晚8點(diǎn)下雨的時(shí)候，著名的76歲哈雷將軍將身著野戰(zhàn)服，開(kāi)著他那“彗星”牌汽車(chē)，經(jīng)過(guò)操場(chǎng)前往禮堂。15、死亡暗示非洲剛果有個(gè)黑人青年在朋友家作客，朋友準(zhǔn)備了一只野雞作為早餐。黑人青年的部落嚴(yán)禁吃野雞，他就問(wèn)朋友，早點(diǎn)是不是野雞。朋友答，不是野雞。黑人青年便享受了一頓美味的早餐。數(shù)年后，他們二人再次見(jiàn)面。那位朋友問(wèn)他想不想吃野雞，青年回答說(shuō)那是不可能的，因?yàn)槲讕熰嵵鼐孢^(guò)他絕不可以吃野雞。6第二定律的統(tǒng)計(jì)表述（依然看前例）4個(gè)分子在容器中的分布對(duì)應(yīng)5種宏觀態(tài)。分布（宏觀態(tài)）詳細(xì)分布（微觀態(tài)）

左邊一列的各種分布僅指出A、B兩邊各有幾個(gè)分子，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細(xì)的分布，具體指明了這個(gè)或那個(gè)分子各處于A或B哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個(gè)微觀態(tài)。一種宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)若干種微觀態(tài)。在一定的宏觀條件下，各種可能的宏觀態(tài)中哪一種是實(shí)際所觀測(cè)到的？不同的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)不同。均勻分布對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多。全部退回A邊僅對(duì)應(yīng)一種微觀態(tài)。7統(tǒng)計(jì)物理基本假定—等幾率原理：對(duì)于孤立系，各種微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性（或幾率）是相等的。各種宏觀態(tài)不是等幾率的。那種宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)多，這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就大。定義熱力學(xué)幾率：與同一宏觀態(tài)相應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)稱(chēng)為熱力學(xué)幾率。記為。

在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應(yīng)的微觀態(tài)最多，熱力學(xué)幾率最大，實(shí)際觀測(cè)到的可能性或幾率最大。

所以，實(shí)際觀測(cè)到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所達(dá)到的平衡態(tài)。

對(duì)于1023個(gè)分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率的總和相比，此比值幾乎或?qū)嶋H上為100%。8對(duì)整個(gè)宇宙不適用。如布朗運(yùn)動(dòng)。平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下最大的狀態(tài)。熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過(guò)程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過(guò)渡，從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過(guò)渡。自然過(guò)程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進(jìn)行。4.熱力學(xué)第二定律的適用范圍注意：微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無(wú)序的狀態(tài)。一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。