当前课程知识点:大学物理1 (力学、热学) > 期末考试 > 期末考试--期末考试Part3 > 11.7 热力学第二定律的微观意义
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
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