熱力學第二定律的微觀解釋

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

下面從統(tǒng)計觀點探討過程的不可逆性微觀意義，并由此深入認識第二定律的本質(zhì)。

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。在熱力學中，序：區(qū)分度。

對于一個熱力學系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們認為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認為它處于無序的狀態(tài)。首先理解有序和無序的概念。

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。3.熱力學第二定律的統(tǒng)計意義熱力學第二定律的微觀意義3分布（宏觀態(tài)）詳細分布（微觀態(tài)）14641開始時，4個分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴散并在整個容器內(nèi)無規(guī)則運動。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個分子全部退回到A部的可能性即幾率為1/24=1/16。

一般來說，若有N個分子，則共2N種可能方式，而N個分子全部退回到A部的幾率1/2N.對于真實理想氣體系統(tǒng)N1023/mol，這些分子全部退回到A部的幾率為。此數(shù)值極小，意味著此事件永遠不會發(fā)生。從任何實際操作的意義上說，不可能發(fā)生此類事件。

對單個分子或少量分子來說，它們擴散到B部的過程原則上是可逆的。

對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向B部自由膨脹的宏觀過程實際上是不可逆的。這就是宏觀過程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計解釋。;蘋果售后維修點/蘋果售后維修點；頓寫一封內(nèi)容尖刻的信回敬那家伙?！翱梢院莺莸亓R他一頓。”林肯說。斯坦頓立刻寫了一封措辭強烈的信，然后拿給總統(tǒng)看?！皩α?，對了?！绷挚细呗暯泻茫耙木褪沁@個！好好訓他一頓，真寫絕了，斯坦頓。”但是當斯坦頓把信疊好裝進信封里時，林肯卻叫住他，問道：“你要干什么？”“寄出去呀。”斯坦頓有些摸不著頭腦了?！安灰[?！绷挚洗舐曊f，“這封信不能發(fā)，快把它扔到爐子里去。凡是生氣時寫的信，我都是這么處理的。這封信寫得好，寫的時候你己經(jīng)解了氣，現(xiàn)在感覺好多了吧，那么就請你把它燒掉，再寫第二封信吧?！?、果斷有一個6歲的小男孩，一天在外面玩耍時，發(fā)現(xiàn)了一個鳥巢被風從樹上吹掉在地，從里面滾出了一個嗷嗷待哺的小麻雀。小男孩決定把它帶回家喂養(yǎng)。當他托著鳥巢走到家門口的時候，他突然想起媽媽不允許他在家里養(yǎng)小動物。于是，他輕輕地把小麻雀放在門口，急忙走進屋去請求媽媽。在他的哀求下媽媽終于破例答應了。小男孩興奮地跑到門口，不料小麻雀已經(jīng)不見了，他看見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教訓：只要是自己認定的事情，決不可優(yōu)柔寡斷。這個小男孩長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)碰到過這樣一個問題。皇帝手下的一位將軍，覺得他應該得到提升，便在皇帝面前提到這件事，以他的長久服役為理由?！拔覒撋匾念I導崗位”，他報告，“因為，我的經(jīng)驗豐富，參加過10次重要戰(zhàn)役?！惫铝蓟实凼且粋€對人及才華有著高明判斷力的人，他不認為這位將軍有能力擔任更高的職務，于是他隨意指著綁在周圍的戰(zhàn)驢說：“親愛的將軍，好好看這些驢子，它們至少參加過20次戰(zhàn)役，可他們?nèi)匀皇求H子?！?、馬蠅效應1860年美國總統(tǒng)大選結(jié)束后，林肯當選為總統(tǒng)。他任命參議員薩蒙?蔡斯為財政部長。有許多人反對這一任命。因為蔡斯雖然能干，但十分狂妄自大，他本想入主白宮，卻輸給了林肯，他認為自己比林肯要強得多，對林肯也非常不滿，并且一如既往地追求總統(tǒng)職位。林肯對關心他的朋友講了這樣一個故事：“在農(nóng)村長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農(nóng)場犁玉米地，我吆馬，他扶犁。這匹馬很懶，但有一段時間它卻在地里跑得飛快，連我這雙長腿都差點跟不上。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。我兄弟問我為什么要打落它，我說我不忍心看著這匹馬那樣被咬。我兄弟說：“唉呀，正是這家伙才使馬跑得快嘛。”然后，林肯說：“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部不停地跑，我就不想去打落它。”9、潛水艇中的15個小時二戰(zhàn)快結(jié)束時，有個叫羅勃?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，學習到了人生最重要的一課。當時我正在一艘潛水艇上，我們從雷達上發(fā)現(xiàn)了一支日本艦隊——一艘驅(qū)逐護航艦、一艘油輪和一艘布雷艦朝我們這邊開過來。我們發(fā)射了五枚魚雷，都沒有擊中。突然那艘布雷艦直朝我們開來(一架日本飛機把我們的位置用無線電通知了它)。我們潛到150英尺深的地方，以免被它偵察到，同時做好應付深水炸彈的準備，還關閉了冷卻系統(tǒng)和所有的發(fā)電機。"3分鐘后，天崩地裂。6枚深水炸彈在四周炸開，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個小時，有十幾個二十個就在離我們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，潛艇就會炸出洞來。"當時，我們奉命靜靜地躺在自己的床上，保持鎮(zhèn)定。我嚇得幾乎無法呼吸，不停地對自己說:。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個小時后，攻擊停止了，顯然那艘布雷艦用光了所有的炸彈而離開了。"這15個小時，在我感覺好像有1500萬年，我過去的生活一一在眼前出現(xiàn)，我記起了做過的所有壞事和曾經(jīng)擔心過的一些很無聊的小事。我曾經(jīng)擔心過:沒有錢買自己的房子，沒有錢買車，沒有錢給妻子買衣服。下班回家，常常和妻子為一點芝麻小事而爭吵。我還為我額頭上的一個小疤——一次車禍留下的傷痕——發(fā)過愁。"所有這些年來的愁苦煩惱，在此時此刻都顯得那么荒謬、渺小，而我過去居然對他們很在意。"10、參照標準一個人去買碗，他懂得一些識別瓷器質(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：“你為什么拿著碗輕撞它呢？”那人說這是一種辨別瓷器質(zhì)量的方法。店員一聽，立即取過一只質(zhì)量上好的碗交給他：“你用這只碗去試試?！彼麚Q了碗，再去輕撞其它的碗，聲音變得鏗鏘起來。原來他手中拿著的是一只質(zhì)地很差的碗，它去輕碰每一只碗，都會發(fā)出混濁之音。合作者變了，參照標準變了，一切也就變了。生活也是如此，你的參照標準如果錯了，那么你眼中的整個世界也就錯了。11、最深刻的記憶美國普林斯頓大學教授丹尼爾?卡尼曼將心理學的知識引入經(jīng)濟學，并因此獲得2002年諾貝爾經(jīng)濟學獎。卡尼曼得出的結(jié)論看上去頗為荒謬，甚至違反直覺。1996年，卡尼曼做了一個最為有名的實驗，他研究了682名做結(jié)腸鏡檢查的患者。他將病人隨機分為兩組，其中一組病人的結(jié)腸鏡檢查稍做延長，即檢查結(jié)束后，先不抽出管子，而是靜靜地放一會兒，這時候病人會感到不舒服，但已沒什么大痛。做延長檢查的病人（不管開始階段有多么痛苦）事后都反應不錯，覺得下次選擇還是要選結(jié)腸鏡而不是鋇餐和X光。而那些沒有延長檢查時間的病人下來后則大叫：“真像下地獄啊?！笨崧纱说贸鼋Y(jié)論：“我們在評價某種經(jīng)驗時，有一個時間長短的因素。也就是說，最后階段的痛苦（或欣悅）程度決定了我們對整個事件的記憶與評價。這對我們預期某種決策以及每天利用這一“捷徑”做出上百個決定極為有用。12、熱愛的奇跡美國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間，結(jié)果產(chǎn)量立刻增長。這時，梅奧進一步在上午也給工人10分鐘喝咖啡的休息時間，生產(chǎn)再次增長。但是，梅奧沒有就此罷手，他開始宣布取消了下午的休息時間，產(chǎn)量仍在增長；接著他又取消了上午的喝咖啡時間，但是產(chǎn)量繼續(xù)增長著，工人們沒有抱怨和怠工現(xiàn)象。這是為什么呢？這項工作的確是單調(diào)枯燥的。當有了休息后，工人們都喜歡這一段輕松愉快的時間，他們互相說笑著，談論著感興趣的話題。當聽到梅奧向她們解釋了她們在參與一個實驗。她們就感到自己正在一個有意義的程序中工作，有光榮的參與感。不知不覺中她們熱愛上了這項工作，熱愛上了這個集體。于是這推動了工業(yè)心理學一個新的探索：熱愛或興趣似乎比休息、增加報酬等更能提高人們的生產(chǎn)力。熱愛讓我們無論身處什么樣的環(huán)境，而精神都住在一個自由、美麗的天堂里。熱愛應該成為我們的生存內(nèi)容之一。13、看著我的眼睛2002年，德國發(fā)生了一樁血案。一個19歲的小伙子，2001年留級，2002年又因偽造假條，被校方開除。他決心報復學校。4月26日上午，他戴著恐怖的面具，一手握一支手槍，一手拎著連發(fā)獵槍，闖進學校，見人就打，主要是瞄準老師，他覺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)百人送進墳墓。這時候，他的歷史老師海澤先生走過來，抓住他的襯衣，試圖同他說話。這個血洗了母校的學生認出了他的老師，他摘掉了自己的面具。海澤先生叫著他的名字說，羅伯特，扣動你的扳機吧。如果你現(xiàn)在向我射擊，那就看著我的眼睛!那個殺人殺紅了眼的學生，盯著海澤先生看了一會兒，緩緩地放下了手槍，說，先生，我今天已經(jīng)足夠了。后來海澤先生把兇手推進了一間教室，猛地關門，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)之時說出的這句話。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，而是一種堅定的修養(yǎng)。是一種長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，就化成了超人的勇氣和智慧。14、命令是這樣傳遞的據(jù)說，美軍1910年的一次部隊的命令傳遞是這樣的：營長對值班軍官：明晚大約8點鐘左右，哈雷彗星將可能在這個地區(qū)被看到，這種彗星每隔76年才能看見一次。命令所有士兵著野戰(zhàn)服在操場上集合，我將向他們解釋這一罕見的現(xiàn)象。如果下雨，就在禮堂集合，我為他們放一部有關彗星的影片。值班軍官對連長：根據(jù)營長的命令，明晚8點哈雷彗星將在操場上空出現(xiàn)。如果下雨，就讓士兵穿著野戰(zhàn)服列隊前往禮堂，這一罕見的現(xiàn)象將在那里出現(xiàn)。連長對排長：根據(jù)營長的命令，明晚8點，非凡的哈雷彗星將身穿野戰(zhàn)服在禮堂中出現(xiàn)。如果操場上下雨，營長將下達另一個命令，這種命令每隔76年才會出現(xiàn)一次。排長對班長：明晚8點，營長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，營長將命令彗星穿上野戰(zhàn)服到操場上去。班長對士兵：在明晚8點下雨的時候，著名的76歲哈雷將軍將身著野戰(zhàn)服，開著他那“彗星”牌汽車，經(jīng)過操場前往禮堂。15、死亡暗示非洲剛果有個黑人青年在朋友家作客，朋友準備了一只野雞作為早餐。黑人青年的部落嚴禁吃野雞，他就問朋友，早點是不是野雞。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，他們二人再次見面。那位朋友問他想不想吃野雞，青年回答說那是不可能的，因為巫師鄭重警告過他絕不可以吃野雞。6第二定律的統(tǒng)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(tài)。分布（宏觀態(tài)）詳細分布（微觀態(tài)）

左邊一列的各種分布僅指出A、B兩邊各有幾個分子，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細的分布，具體指明了這個或那個分子各處于A或B哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個微觀態(tài)。一種宏觀態(tài)對應若干種微觀態(tài)。在一定的宏觀條件下，各種可能的宏觀態(tài)中哪一種是實際所觀測到的？不同的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)不同。均勻分布對應的微觀態(tài)數(shù)最多。全部退回A邊僅對應一種微觀態(tài)。7統(tǒng)計物理基本假定—等幾率原理：對于孤立系，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。定義熱力學幾率：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學幾率。記為。

在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應的微觀態(tài)最多，熱力學幾率最大，實際觀測到的可能性或幾率最大。

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

對于1023個分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學幾率的總和相比，此比值幾乎或?qū)嶋H上為100%。8對整個宇宙不適用。如布朗運動。平衡態(tài)相應于一定宏觀條件下最大的狀態(tài)。熱力學第二定律的統(tǒng)計表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過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)過渡，從熱力學幾率小的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。自然過程總是向著使系統(tǒng)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、最無序的狀態(tài)。一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行。