11.7 热力学第二定律的微观意义在线视频

同学好

这一节我们讲热力学第二定律的微观意义

热力学第二定律说的是

一切与热现象有关的自然宏观过程

总是不可逆的

你可能问

为什么会有宏观过程这样的不可逆性呢

或者我们说为什么会有这样的规律呢

这个规律的背后会不会有更深刻的一些含义

不被我们所知道呢

当然物理学里面呢对有些规律

如果你问为什么呢

这没什么用 不会有什么意义 为什么呢

你不会得到任何有意义的答案

但是如果你对有些物理规律

深究其背后的原因的话

你可能对这个物理规律有一个更深刻的认识

那么对于热力学第二定律来说

隐藏在它背后的其实是一个统计规律啊

热力学第二定律其实针对的是

大量粒子无规运动的这个系统

对于大量粒子无规运动的系统呢

才具有这种不可逆性

对于单个粒子来说啊它的运动总是可逆的

你比如说气体绝热自由膨胀这个过程

当然你把这隔板一拿开 气体就膨胀过来了

我们说着这个过程不可逆是指什么呢

是指所有的气体分子全部(自动)回到左半边

这个过程是不可能的

但是对于单个粒子来说

它随时可以回到左半边

它可以随时出现在任何一个位置对吧

所以我们说的这个规律呢 它是对大量粒子而言的

大量大到什么程度呢

我们知道标准状态下啊 空气分子22.4升

包含6.02乘上10的23次方个这个分子

这是一个摩尔所包含的分子数

那么这个数有多大呢

我们很多人对它没有直观的了解

我给大家比划一下

我手捧一下

这里面包了空气分子 包了多少个呢

我们可以估算一下啊

假设我手捧的这个体积呢是啊20立方厘米

那么你很容易估算我这一手捧里面

这个空气分子数啊大概是6乘上10的20次方

这是一个很大的一个数

多大呢 为了给大家带来一个形象的认识啊

我带了这么一个米粒

这个米粒有多少呢

我用这个天平量过 它是5克

数了一下米粒个数 它是314粒

那么根据这个 我们可以粗粗可以估算

假设啊我用大米装满了一个火车车皮的话

这个火车车皮的假如说能装30吨

那装满了以后这一车皮里面米粒个数是多少呢

你可以估算啊很容易

它是等于2乘上10的9次方个

当然这个和这个数啊相差很远啊

那么我们说的这个 我一手捧里面的这个分子个数

应该是多少呢

和这个大米粒数相比的话

我们可以作这样一个比方

我们知道中国是一个大国 幅员辽阔

它的陆地面积啊有960万平方公里

假如我现在把这个装满大米的这个车皮啊

一个挨一个排满了这个整个中国陆地的话

大米粒个数有多少呢

假设这个火车车皮的面积有50平方米的话

你可以简单估算出来

估算出来这个结果是多少呢

米粒个数大概有4乘上10的20次方个

也就是说

这个装满大米的火车车皮铺满了整个中国陆地

那个米粒数才和我一手捧里面分子个数差不多

所以我们说的大量粒子啊 是这么一个大的这个数

只有在这个情况下热力学第二定律

才是一个规律

假如你所涉及的这个系统的粒子数目不是很多的话

它就会有涨落

涨落大的话呢

热力学第二定律有的时候是会被违背的

你比如说我这箱子里呢

装了4个分子的这样一个气体

当然这是一个打比方的一个事情

那么这个时候呢气体可以绝热自由膨胀 对不对

但是呢在某个时候啊

你很容易想象

它完全有可能4个粒子全部回到这个左半边去

那也就是说你刚才气体绝热自由膨胀

这个过程 不是可逆性被破坏了吗

但是这是涨落造成的粒子数目太少

再比如布朗运动

布朗运动也是这个涨落

使得热力学第二定律违背的这样一个例子

我们先看一段录像

显微镜下藤黄粉的小颗粒在做布朗运动

有几个小颗粒聚集在一起就像是蝴蝶起舞

小颗粒不仅平动还在转动呢

布朗运动的原因其实是这样啊

这个小颗粒在液体里面

可是液体里面的这个分子呢由于热运动

不断的撞击这个小颗粒

那么这种撞击呢 它经常是不平衡的

有的时候在某个方向上的撞击力大一些

这个小颗粒沿着那个方向运动

有的时候沿着另一个方向撞击大一些

那这个小颗粒呢又沿着另一个方向运动

就是这样

可是我们前面说自然宏观过程这个不可逆性

通常情况是物体整体运动的能量

由于这个阻力啊或者是摩擦力的原因

转化成物体分子的无规运动能量

或者是热运动能量

可是你看这个布朗运动呢

是这些分子的无规运动能量

转化成了这个颗粒的整体运动能量

这不相当于自然宏观过程的不可逆性被破坏了吗

也就是说热力学第二定律不是被违背了吗

当然我们知道这其实是因为涨落的原因

那么这个涨落被我们看得见的原因呢

是因为这个花粉颗粒太小

它所包含这个分子数呢太少

这个颗粒多大呢 大概微米量级

大的也就是十几微米 几十微米这么大

眼睛都看不见

这样小的颗粒呢

它既不是宏观物体也不是微观物体

我们有时候把它叫做介观物体颗粒

由于这个物体太小它的涨落呢容易被观察到

好 这节内容呢就讲到这儿 谢谢