热力学第二定律的微观意义

热现象涉及到大量粒子的无规运动。第二定律告诉我们，来无规运动并不是完全"无规"的，热现象要满足一定的"规律"。第二定律不是经验的总结，"唯象" 的描述。第二定律的物理本质要通过"微观"或统计的描述来理解。 （1）功源变热：机械能（分子定向运动的动能）转变为热 能（分子无规则运动的能量，即内能），微观上是大量分子的有序运动向无序运动转化。 （2）热传递：大量分子知的无道序运动由于热传递而增大。 （3）气体绝热自由膨胀：分子运动状态（分子的位置分布）更加无序。总结：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。注意：热力学第二定律是一条统计规律，只适用于大量分子的集体

热力学第二定律的建立与表述热力学第二定律是在热力学第一定律（能量守恒定律）建立后不久建立起来的，它的建立与19世纪20年代卡诺对于热机的研究有着密切的关系。卡诺在探索提高热机效率的研究工作中，抓住了热机的本质，撇开了各种次要因素，抽象出一个仅仅工作于一个高温热源和一个低温热源（冷源）间的理想热机（卡诺热机），他把这样一个热机比拟为水轮机：“我们可以足够确切地把热的动力比之于瀑布……瀑布的动力取决于液体的高度和液体的量；而热的动力同样取决于所用热质的量以及热质的‘下落高度’，即交换热质的两物体之间的温度差。”卡诺所处的时代正是热质说占统治地位的时代，卡诺的这段话也是热质说的反映。现在看起来当然是不对的，但是他得到的结论却是正确的：“单独提供热不足以给出推动力，还必须要冷。没有冷，热将是无用的。”他已经接触到了热力学第二定律的边缘。 英国物理学家开尔文（原名汤姆逊e68a84e79fa5e9819331333231393633）在研究卡诺和焦耳的工作时，发现了某种不和谐：按照能量守恒定律，热和功应该是等价的，可是按照卡诺的理论，热和功并不是完全相同的，因为功可以完全变成热而不需要任何条件，而热产生功却必须伴随有热向冷的耗散。他在1849年的一篇论文中说：“热的理论需要进行认真改革，必须寻找新的实验事实。”同时代的克劳修斯也认真研究了这些问题，他敏锐地看到不和谐存在于卡诺理论的内部。他指出卡诺理论中关于热产生功必须伴随着热向冷的传递的结论是正确的，而热的量（即热质）不发生变化则是不对的。克劳修斯在1850年发表的论文中提出，在热的理论中，除了能量守恒定律以外，还必须补充另外一条基本定律：“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温。”这条定律后来被称作热力学第二定律。克劳修斯的表述在现代教科书中一般表述为： 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。第二年（1851年）开尔文提出了热力学第二定律的另一种表述方式，开尔文的表述在现代教科书中一般表述为： 不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不产生其他影响。 开尔文的表述更直接指出了第二类永动机的不可能性。所谓第二类永动机，是指某些人提出的例如制造一种从海水吸取热量，利用这些热量做功的机器。这种想法，并不违背能量守恒定律，因为它消耗海水的内能。大海是如此广阔，整个海水的温度只要降低一点点，释放出的热量就是天文数字，对于人类来说，海水是取之不尽、用之不竭的能量源泉，因此这类设想中的机器被称为第二类永动机。而从海水吸收热量做功，就是从单一热源吸取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响，开尔文的说法指出了这是不可能实现的，也就是第二类永动机是不可能实现的。因此热力学第二定律的开尔文表述也可简述为： 第二类永动机是不可能造成的。 克劳修斯和开尔文关于热力学第二定律的表述是完全等价的，他们都是指明了自然界宏观过程的方向性，或不可逆性。克劳修斯的说法是从热传递方向上说的，即热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不可能从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。这里“不引起其他变化”是很重要的。利用致冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体，但是外界必须做功。开尔文的说法则是从热功转化方面去说的。功完全转化为热，即机械能完全转化为内能可以的，在水平地面上运动的木块由于摩擦生热而最终停不来就是一个例子。但反过来，从单一热源吸取热量完全转化成有用功而不引起其他影响则是不可能的。所谓“单一热源”，是指温度均匀并且保持恒定的热源，如果热源的温度不是均匀的，则可以从温度较高处吸收热量，又向温度较低处放出一部分，这就等于工作在两个热源之间了。所谓“不产生其他影响”，是指除了从单一热源吸热，这些热量全部用来做功以外，其他都没有变化。如果没有“不产生其他影响”这个限制，从单一热源吸热而全部转化为功是可以做到的，例如理想气体在等温膨胀过程中，气体从热源吸热而膨胀做功，由于这过程中理想气体保持温度不变，而理想气体又不考虑分子势能，因此气体的内能保持不变，从热源吸收的热量就全部转化成了功，但是这过程中气体的体积膨胀了，因此不符合“不产生其他影响”的条件。下面我们从反面来说明这两种说法的确是等价的：①如果我们否定克劳修斯的说法，认为热量可以自发地从低温物体B传向高温物体A，见图4－l（a）的示意图，设这个热量为Q，我们再设想有一个卡诺热机，从高温热源A吸取热量Q，一部分转化为有用功W，另一部分Q′传给了低温热源B，这样的整个过程中，高温热源A没有发生变化，相当于只从低温热源B吸收了（Q－Q′）的热量而全部转化为有用功，而不产生其他影响，从而开尔文的说法也就被否定了。②反过来，如果我们否定了开尔文的说法，认为可以从单一热源A吸取热量，全部转化为有用功而不产生其他影响，见图4－1（b）的示意图，设这部分热量为Q1，做的有用功为W1（Q1－W1），我们再设想这部分有用功是带动一个理想的致冷机工作，它从另一个低温热源B处吸收热量Q2，向热源A放出热量Q1′，则满足Q1′=Q2＋W1，而Q1=W1，所以Q1′=Q2＋Q1。这样，总的效果相当于从低温热源B处吸收了热量Q。，向高温热源A放出的热量Q1′，在补偿了Q1以后，正好也是Q2，这就等于热量Q。自发地从低温热源B传向了高温热源地并没有发生其他变化，这就否定了克劳修斯的说法。 以上我们从正反两个方面说明了关于热力学第二定律的两种说法是等价的，它们都是关于自然界涉及热现象的宏观过程的进行方向的规律。其实，热力学第二定律还可以有其他很多种不同的表述方式。例如我国有一句成语“覆水难收”，其实是“覆水不收”。脸盆里的水泼到地上，是不可能再收回来的，这也可以看作是热力学第二定律的一种表述形式。广义地讲，只要指明某个方面不可逆过程进行的方向性就可以认为是热力学第二定律的一种表述，因为所有不可逆。《初中物理专题分析》 参考资料： http://www.pep.com.cn/200406/ca445210.htm

热力学第二定律又称熵增原理，

热力学第二定律有两种基本表述，第一种是（1）克劳休斯表述：不可能把热量从zd低温物体传向高温物体而不引起其它变化；第二种是（2）开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。开尔文表内述还可以表述成：第二类永动机不可能实现。除此之外，热力学第二定律还可以表述成熵增加原理：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。从微观统计意义上讲，热运动则是大量分子的无规则运动。无规则运动要变为有规容则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，从此可见热是不可能自发地变成功的。

热力学第二定律（second law of thermodynamics），热力学基本定律之一，其表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用百的功而不产生其他影响，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（度即“熵”）不会减小。克劳修斯表述不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。开尔文表述不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使内之完全变为功而不引起其它变化。孤立系统的一切自发过程均向着其微观状态更无序的方向发展，如果要使系统回复到原先的有序状态是不可能的，除非外界对它做功。另外，微观状态越混乱，则该系统的熵值越大，反之越小。所以说，孤立系统的熵值是永远增加容的。微观意义就是系统总是朝着混乱度增加的方向发展。 

微观统计的意义就是系统混乱度的数学意义。就是混乱度取自然对数。 本回答被网友采纳

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热力学第二定律 (1)概述 ①热不可能自发地、不付代价地从低温传到高温。(不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化,这是按照热传导的方向来表述的) ②不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响 (2)说明 ①热力学第二定律是热力学的基本定律之一。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。 上述(1)中①的讲法是克劳修斯在1850年提出的。②的讲法是开尔文于1851年提出的。这些表述都是等效的。 在①的讲法中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。 在②的讲法中指出，自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。热机能连续不断地将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 ． ②人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机叫第二类永动机。它并不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低O.25度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年。但只用海洋做为单一热源的热机是违反上述第二种讲法的，因此要想制造出热效率为百分之百的热机是绝对不可能的。 ③从分子运动论的观点看，作功是大量分子的有规则运动，而热运动则是大量分子的无规则运动。显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，从此可见热是不可能自发地变成功的。 ④热力学第二定律只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系，也不能把它推广到无限的宇宙。 ⑤根据热力学第零定律，确定了态函数——温度； 根据热力学第一定律，确定了态函数——内能和焓； 根据热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数——熵。．可以用熵来对第二定律作定量的表述。 第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们就用态函数熵来描述这个差异，从理论上可以进一步证明: 可逆绝热过程Sf=Si， 不可逆绝热过程Sf>Si，式中Sf和Si分别为系统的最终和最初的熵。 也就是说，在孤立系统内对可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可逆过程，系统的熵总是增加的。这个规律叫做熵增加原理。e799bee5baa6e997aee7ad94e78988e69d8331333236366231这也是热力学第二定律的又一种表述。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件：1、该系统是线性的；2、该系统全部是各向同性的。另外有部分推论很有意思：比如热辐射：恒温黑体腔内任意任意位置及任意波长的辐射强度都相同，且在加入任意光学性质的物体时，腔内任意位置及任意波长的辐射强度都不变。