热物理学基础课件

第七章第七章 热力学是从能量守恒和能量转换的角度来研究热力学是从能量守恒和能量转换的角度来研究热运动的规律。它不考虑物质内部的微观结构。热运动的规律。它不考虑物质内部的微观结构。研究方法是：研究方法是：根据观察和实验所总结出的基本规根据观察和实验所总结出的基本规律（热力学第一定律、热力学第二定律）用逻辑推律（热力学第一定律、热力学第二定律）用逻辑推理的方法来研究物体的宏观性质以及宏观过程进行理的方法来研究物体的宏观性质以及宏观过程进行的方向和限度等问题的方向和限度等问题。1谢谢观赏2019-8-26第七章热物理学基础第七章热物理学基础 热力学是从能量守恒和能量转换的角度热力学是从能量守恒和能量转换的角度1.热力学第一定律(first low of thermodynamics)一.基本概念1.热力学系统 (thermodynamics system)孤立系统、封闭系统、绝热系统、开放系统2.热力学过程 (thermodynamics process)观察活塞移动，见图：活塞速度很小（趋近于零）和较大时气体状态变化有何不同？2谢谢观赏2019-8-261.热力学第一定律热力学第一定律 活塞速度很小（趋近于零）和较大时气体活塞速度很小（趋近于零）和较大时气体 V0，过程中的每一时刻气体能重新达到新的平衡态准静态过程 特点：每一时刻均有确定的状态参量。PV图示：二.功、热量、内能1.功 (work)（1）气体作功的计算，压力功，见图psdx3谢谢观赏2019-8-26 V0，过程中的每一时刻气体能重新达到新的平衡态，过程中的每一时刻气体能重新达到新的平衡态准静准静A0系统对外作功 A0外界对系统作功（2）几何意义：PV 图,AB为某一热力学过程。红色区域的面积：红色区域的面积：曲线下总面积：曲线下总面积：可由面积求功。可由面积求功。4谢谢观赏2019-8-26A0系统对外作功红色区域的面积：曲线下总面积：可由面积系统对外作功红色区域的面积：曲线下总面积：可由面积系统从状态a（P1V1）经不同的过程到达状态b（P2V2），系统对外界所作的功是不同的。功是过程量而不是状态量功是过程量而不是状态量pvoabacb过程的功adb过程的功5谢谢观赏2019-8-26系统从状态系统从状态a（P1V1）经不同的过程到达状态功是过程量而不是）经不同的过程到达状态功是过程量而不是2.热量Q (quantity of heat)计算公式：Q=cm（T2 T1）=Cmol（T2T1）Cmol摩尔热容量：单位摩尔质量的气体温度改变一度所吸收或放出的热量。仅与状态有关仅与状态有关内能的变化：内能的变化：与过程无关。与过程无关。Cmol、Q均与过程有关，是过程量。3.内能分子热运动能量的总和。理想气体：6谢谢观赏2019-8-262.热量热量Q (quantity of heat 三.热力学第一定律1.定律：设系统从态态，作功A，吸热Q，内能变化U，则有：Q =A+E能量守恒方程无限小过程：dQ=dA+dE2.Q、A 正负的约定 Q 0 吸热 Q 0 放热 A0 系统作功 A 0 外界作功7谢谢观赏2019-8-26三三.热力学第一定律热力学第一定律1.定律：设系统从定律：设系统从态态态，作功态，作功A，吸，吸2 2 热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用一.等容过程 (isometric process)1.过程方程：2.A、Q、U 的计算 V=0 A=0 Q=CV（T2T1）而：而：Q=A+E=E 可得：可得：i 的取值？的取值？对其他过程是否成立对其他过程是否成立？8谢谢观赏2019-8-262 热力学第一定律对理想气体的应用一热力学第一定律对理想气体的应用一.等容过程等容过程 (iso二二.等压过程（等压过程（isobaric）1.过程方程过程方程2.A、Q、E 的计算的计算由：由：三三.等温过程（等温过程（isothermal process）1.过程方程过程方程 2.A、Q、E 的计算的计算 Q=CP（T2-T1）E=CV（T2-T1）9谢谢观赏2019-8-26二二.等压过程（等压过程（isobaric）1.过程方程过程方程2.A、Q、T=0 E=0Q=A=RTlnV2/V1等温过程等温过程 Cmol=?四四.绝热过程绝热过程1.A、Q、E 的计算的计算 Q=0 A=-E=-CV（T2 -T1）2.2.过程方程过程方程10谢谢观赏2019-8-26 T=0 E=0Q=A=R dE=CvdT=-dA=-P dV （1）PdV+Vdp=RdT （2）联立（联立（1 1）（）（2 2）得）得 （CV+R）PdV=-CVVdp得得：CpPdV=-CVVdp令令则有则有解得解得由由可得可得11谢谢观赏2019-8-26 dE=CvdT=-dA=3.绝热线与等温线绝热线与等温线绝热线等温线绝热线较陡绝热线较陡如何判别绝热线与等温线？如何判别绝热线与等温线？12谢谢观赏2019-8-263.绝热线与等温线绝热线与等温线pVpV0(pV,绝热线等温线绝热线等温线KQKT绝绝例题例题 :m=2.810=2.810-3-3 kg kg p=1atm =1atm t=27270 0c c 氮气，经历如图所示的过程，氮气，经历如图所示的过程，V4=V3，求整个过程的求整个过程的 内能的变化，功，热量。内能的变化，功，热量。(Cv=2.52.5R)pVo123v1v3v4解：PV 图示图示求出各状态的参量求出各状态的参量=2.46 x 10-3m313谢谢观赏2019-8-26例题例题:m=2.810-3 kg p=1aE4 E1=CV(T4T1)=312J等容过程：等容过程：A1=0等温过程：等温过程：等压过程：等压过程：A=A1+A2+A3=449 JE=Q A=312 JQ=Q1+Q2+Q3=761 J14谢谢观赏2019-8-26E4 E1=CV(T4T1)=312J等容过等容过7.37.3循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环一一 循环过程循环过程1 热机的工作原理热机的工作原理以蒸汽机为例特点：工作物质（水蒸汽、液态水）工作物质从外界吸热，增加内能，一部分对外作功 工作物质要回到原来状态，内能的另一部分以热量的形式放到一个温度较低的冷凝器里去。以上过程循环不已地进行15谢谢观赏2019-8-267.3循环过程循环过程 卡诺循环一卡诺循环一 循环过程循环过程1 热机的工作原理以热机的工作原理以2 定义：定义：如果一系统从某一状态出发，经过任意的如果一系统从某一状态出发，经过任意的一系列过程，最后又回到原来的状态，则称此一系一系列过程，最后又回到原来的状态，则称此一系列过程为循环过程。列过程为循环过程。3 正循环及循环效率正循环及循环效率规定：顺时针循环正循环ABCDA热机逆时针循环逆循环ADCBA致冷机或热泵分析正循环和逆循环的特点。分析正循环和逆循环的特点。逆循环：逆循环：体积膨胀体积膨胀 系统对外作功。系统对外作功。A=?正循环：正循环：体积压缩，系统对外作负功。体积压缩，系统对外作负功。16谢谢观赏2019-8-262 定义：如果一系统从某一状态出发，经过任意的一系列过程，最定义：如果一系统从某一状态出发，经过任意的一系列过程，最整个过程：整个过程：E=0由能量守恒：由能量守恒：A净净=Q 净净=Q1Q2循环效率：循环效率：由于由于Q2不为零，不为零，Q1不能为无穷大，不能为无穷大，117谢谢观赏2019-8-26整个过程：整个过程：E=0由能量守恒：由能量守恒：A净净=Q 净净=二二 卡诺循环卡诺循环准静态卡诺循环：由两个等温准静态卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成的循过程和两个绝热过程组成的循环过程。环过程。1212等温膨胀过程等温膨胀过程U=0 23 23绝热过程绝热过程 34 34等温压缩过程等温压缩过程Q218谢谢观赏2019-8-26二二 卡诺循环准静态卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成卡诺循环准静态卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成 41 41绝热压缩绝热压缩整个循环中内能不变整个循环中内能不变A=Q1Q2（23）19谢谢观赏2019-8-26 41绝热压缩整个循环中内能不变绝热压缩整个循环中内能不变A=Q1Q2（41）或或则有：则有：仅适用于卡诺循环仅适用于卡诺循环说明：说明：卡卡仅由仅由T1 1、T2 2决定决定 T1 1越大、越大、T2 2越小越小越高。越高。卡卡1 20谢谢观赏2019-8-26（41）或则有：）或则有：仅适用于卡诺循环说明：仅适用于卡诺循环说明：卡仅由卡仅由T1、例题：例题：1mol单原子理想气体作如图所示的循环，单原子理想气体作如图所示的循环，AB为等温线，求循环效率。为等温线，求循环效率。解解ABCBCA净功：净功：吸热：吸热：21谢谢观赏2019-8-26例题：例题：1mol单原子理想气体作如图所示的循环，单原子理想气体作如图所示的循环，AB为等为等22谢谢观赏2019-8-2622谢谢观赏谢谢观赏2019-8-267.4 逆循环逆循环致冷机和热泵致冷机和热泵一一.制冷机制冷机特点：外界做功，特点：外界做功，从低温热源吸热从低温热源吸热Q2，向高温热源，向高温热源放热放热Q1。C-C-毛细节流阀毛细节流阀 B-B-冷凝器冷凝器 D-D-冷库冷库 E-E-压缩机压缩机制冷系数：制冷系数：23谢谢观赏2019-8-267.4 逆循环逆循环致冷机和热泵一致冷机和热泵一.制冷机制冷机 C-毛细节流阀毛细节流阀卡诺制冷机（逆循环）卡诺制冷机（逆循环）：不同制冷温度时，冰箱的效率不同。不同制冷温度时，冰箱的效率不同。例题例题 一卡诺制冷机，从零度的水中吸取热量，一卡诺制冷机，从零度的水中吸取热量，向向27270 0C C 的房间放热，假定将的房间放热，假定将 50kg 50kg 的的 0 00 0C C的水变的水变成了成了0 00 0的冰。试问（的冰。试问（1 1）放于房间的热量有多少）放于房间的热量有多少 （2 2）使制冷机运转所需的机械功为多少？）使制冷机运转所需的机械功为多少？24谢谢观赏2019-8-26卡诺制冷机（逆循环）卡诺制冷机（逆循环）：不同制冷温度时，冰箱的效率不同。例题：不同制冷温度时，冰箱的效率不同。例题解：解：(1)(1)Q2 =3.35 x 105 x 50=1.665 x 107J(2)T2=263K多做的功为多做的功为 2.34 x 1061.65 x 106=6.9 x 105 J25谢谢观赏2019-8-26解：解：(1)Q2 =3.35 x 105 x 50 二二.热泵热泵热泵是把热量由低温物体抽到高温物体的装置，热泵是把热量由低温物体抽到高温物体的装置，它的工作原理与致冷机相同。致冷机是让工作物质它的工作原理与致冷机相同。致冷机是让工作物质从低温物体处吸热，使低温物体的温度更低；而热从低温物体处吸热，使低温物体的温度更低；而热泵是让工作物质向高温物体放热，使高温物体的温泵是让工作物质向高温物体放热，使高温物体的温度更高。度更高。热泵工作过程：压缩机将热泵工作过程：压缩机将氨气或氟里昂进行压缩，使氨气或氟里昂进行压缩，使之变成高温高压的蒸汽，蒸之变成高温高压的蒸汽，蒸汽被导入室内管道（冷凝器）汽被导入室内管道（冷凝器）中，氨蒸汽凝结成液体，同中，氨蒸汽凝结成液体，同时放出热量使室内气流升温时放出热量使室内气流升温而供暖。液化后的氨经节流而供暖。液化后的氨经节流阀变成低温低压的液体，阀变成低温低压的液体，被导入室外管道（蒸被导入室外管道（蒸发器）中，液体从室发器）中，液体从室外的空气中吸热而迅外的空气中吸热而迅26谢谢观赏2019-8-26二二.热泵热泵是把热量由低温物体抽到高温物体的装置，它的工作原热泵热泵是把热量由低温物体抽到高温物体的装置，它的工作原速蒸发，蒸发后的气体又回到压缩机中进行下一速蒸发，蒸发后的气体又回到压缩机中进行下一个循环。个循环。供热效率供热效率如果上图中把压缩机的出口与室外管道相连，则此如果上图中把压缩机的出口与室外管道相连，则此装置就可以用来给室内降温，这就是所谓的制冷空装置就可以用来给室内降温，这就是所谓的制冷空调，此时室内的管道就是蒸发器，而室外的管道就调，此时室内的管道就是蒸发器，而室外的管道就是冷凝器。是冷凝器。27谢谢观赏2019-8-26速蒸发，蒸发后的气体又回到压缩机中进行下一个循环。速蒸发，蒸发后的气体又回到压缩机中进行下一个循环。供热效供热效7.5 7.5 热力学第二定律热力学第二定律背景：第二类永动机的提出：将海水热量变为机背景：第二类永动机的提出：将海水热量变为机械功。若将海水温度降低械功。若将海水温度降低0.1K0.1K，可供全世界工厂，可供全世界工厂用用1 1万年以上。对热力学过程的方向是否有限制万年以上。对热力学过程的方向是否有限制？实质上：热传导过程、功变热过程、扩散过程都具实质上：热传导过程、功变热过程、扩散过程都具有不可逆性，自然界中对热力学过程的方向有这严有不可逆性，自然界中对热力学过程的方向有这严格的限制。格的限制。一一.表述表述1.1.开尔文表述：不可能从单一热源吸热，使之完全开尔文表述：不可能从单一热源吸热，使之完全变为有用功而不产生变为有用功而不产生其他影响其他影响。外界与系统均未外界与系统均未发生变化。发生变化。否定了第二永动机。否定了第二永动机。28谢谢观赏2019-8-267.5 热力学第二定律背景：第二类永动机的提出：将海水热量热力学第二定律背景：第二类永动机的提出：将海水热量2.2.克劳修斯表述：热量不可能克劳修斯表述：热量不可能自发的自发的由低温热源向由低温热源向高温热源传递。高温热源传递。3.3.两种表述的等效性两种表述的等效性开氏：开氏：过程的方向性。过程的方向性。功变热功变热克氏：克氏：过程的方向性。过程的方向性。热传导热传导证明：证明：反证法反证法设一热机设一热机 K，再设一制冷机：再设一制冷机：Q2T1T2Q1A=Q1联立两热机，联立两热机，有：有：C29谢谢观赏2019-8-262.克劳修斯表述：热量不可能自发的由低温热源向高温热源传递。克劳修斯表述：热量不可能自发的由低温热源向高温热源传递。用同样的方法可证，当用同样的方法可证，当C时，必有时，必有K。从逻辑学可知：从逻辑学可知：即克劳修斯表述与开尔文表述完全等效。即克劳修斯表述与开尔文表述完全等效。二二.热一律与热二律的作用热一律与热二律的作用30谢谢观赏2019-8-26用同样的方法可证，当用同样的方法可证，当C时，必有时，必有K。从逻辑学可知：。从逻辑学可知：三三.统计意义：统计意义：（微观实质）（微观实质）例：理想气体自由膨胀（扩散过程），见图：例：理想气体自由膨胀（扩散过程），见图：AB抽去隔板：抽去隔板：一个分子回到一个分子回到A部的概率部的概率为为 。两个分子回到两个分子回到A部的概率部的概率为为 1/22。三个分子回到三个分子回到A部的概率为部的概率为 1/23。N0个分子回到个分子回到A部的概率为部的概率为可以看出扩散过程的不可逆性。可以看出扩散过程的不可逆性。31谢谢观赏2019-8-26三三.统计意义：统计意义：（微观实质）例：理想气体自由膨胀（扩散过程）（微观实质）例：理想气体自由膨胀（扩散过程）AB 分析过程的进行方向，分析过程的进行方向，以三个分子为例：见图以三个分子为例：见图abc分子可能出现的分布：分子可能出现的分布：A B A B A B A Babc0(1)abcbcacab(2)bcabaccab(3)abc0(4)32谢谢观赏2019-8-26AB 分析过程的进行方向，分析过程的进行方向，以三个分子为例：见图以三个分子为例：见图abc分分哪一个状态出现的概率大哪一个状态出现的概率大过程进行的方向？过程进行的方向？微观态：分子的每一种可能分布的状态。微观态：分子的每一种可能分布的状态。宏观态：仅考虑分子个数，不考虑分子标号的状态。宏观态：仅考虑分子个数，不考虑分子标号的状态。过程进行方向：过程进行方向：含微观态少的宏观态含微观态少的宏观态含微观态多的宏观态含微观态多的宏观态不均匀不均匀均匀均匀热力学概率热力学概率：某宏观态所含微观态数目。：某宏观态所含微观态数目。热力学概率小的宏观态热力学概率小的宏观态热力学概率大的宏观态热力学概率大的宏观态33谢谢观赏2019-8-26哪一个状态出现的概率大？过程进行的方向？微观态：分子的每一种哪一个状态出现的概率大？过程进行的方向？微观态：分子的每一种7.6 7.6 熵与熵增原理熵与熵增原理一一.可逆过程与卡诺定理可逆过程与卡诺定理1.可逆过程：若发生的某过程，能找到另一过程使可逆过程：若发生的某过程，能找到另一过程使外界与系统全都复原，此过程称可逆过程。外界与系统全都复原，此过程称可逆过程。2.卡诺定理卡诺定理定理一：在相同高温热源（定理一：在相同高温热源（T1 1）与低温热源（）与低温热源（T2 2）之间工作的一切可逆热机，其效率与工作物质无关之间工作的一切可逆热机，其效率与工作物质无关均为：均为：定理二：不可逆热机的效率定理二：不可逆热机的效率 1 T2/T1 34谢谢观赏2019-8-267.6 熵与熵增原理一熵与熵增原理一.可逆过程与卡诺定理可逆过程与卡诺定理1.可逆过程：可逆过程：二二.熵的引入熵的引入1.1.克劳修斯公式：克劳修斯公式：由卡诺定理由卡诺定理2 2：考虑：考虑：Q20，有：，有：若系统与多个热若系统与多个热源接触，则有：源接触，则有：若热源可视为连续若热源可视为连续分布，则有：分布，则有：35谢谢观赏2019-8-26二二.熵的引入熵的引入1.克劳修斯公式：由卡诺定理克劳修斯公式：由卡诺定理2：考虑：考虑：Q20，2.2.态函数熵态函数熵S：设可逆循环：见图设可逆循环：见图由克劳修斯公式有：由克劳修斯公式有：此式说明什么此式说明什么？与路径无关。与路径无关。x0 x2136谢谢观赏2019-8-262.态函数熵态函数熵S：设可逆循环：见图由克劳修斯公式有：此式说明什：设可逆循环：见图由克劳修斯公式有：此式说明什S的定义：设初态的熵为的定义：设初态的熵为S0 0，末态的熵为，末态的熵为S，则有：则有：若为不可逆过程，设上图中，若为不可逆过程，设上图中，1为不可逆、为不可逆、2为可逆。为可逆。对不可逆：对不可逆：即：即：又：又：综合：综合：37谢谢观赏2019-8-26S的定义：设初态的熵为的定义：设初态的熵为S0，末态的熵为，末态的熵为S，则有：仅对可逆过程，则有：仅对可逆过程对无限小过程：对无限小过程：TdS dQ 或或 TdS PdV+dE二二.熵增原理熵增原理 Tds dQ若若 dQ=0 ds 01.1.原理原理 ：绝热过程中，系统的熵永不减少。：绝热过程中，系统的熵永不减少。可逆绝热：可逆绝热：S=0，不可逆绝热不可逆绝热：S 0。孤立系统：从孤立系统：从S小小S大大进行，平衡态：进行，平衡态：S=Smaxmax2.2.S的物理意义：的物理意义：分子运动无序程度的量度。分子运动无序程度的量度。何状态熵最大何状态熵最大?平衡态。平衡态。38谢谢观赏2019-8-26对无限小过程：对无限小过程：TdS dQ 或或 TdS 3.熵的波尔兹曼定义熵的波尔兹曼定义反映系统含微观态多少，表征无序度的高低。反映系统含微观态多少，表征无序度的高低。热力学概率热力学概率三三.熵变的计算熵变的计算1.1.理想气体的熵变理想气体的熵变S1mol理想气体理想气体，从从（T0 V0）（T V），求求S解：可逆过程解：可逆过程与经历的过程无关。与经历的过程无关。39谢谢观赏2019-8-263.熵的波尔兹曼定义反映系统含微观态多少，表征无序度的高低。熵的波尔兹曼定义反映系统含微观态多少，表征无序度的高低。2.不可逆过程熵变的计算不可逆过程熵变的计算原则：设一可逆过程，要求初态、终态与不可逆原则：设一可逆过程，要求初态、终态与不可逆过程相同，计算此可逆过程的过程相同，计算此可逆过程的S即可。即可。例例1.1.理想气体绝热向真空自由膨胀（扩散）理想气体绝热向真空自由膨胀（扩散），体积由，体积由V1V2，求：，求：S。解解：找可逆过程：找可逆过程：Q=0，A=0，T=0等温：初态（等温：初态（T、V1 1），末态（），末态（T、V2 2）40谢谢观赏2019-8-262.不可逆过程熵变的计算？原则：设一可逆过程，要求初态、终态不可逆过程熵变的计算？原则：设一可逆过程，要求初态、终态例例2.2.热传导的热传导的S。见图。见图T1T2Q不可逆过程，分开计算。不可逆过程，分开计算。高温热源等温放热：高温热源等温放热：（可逆）可逆）则有：则有：低温热源等温吸热：低温热源等温吸热：（可逆）可逆）41谢谢观赏2019-8-26例例2.热传导的热传导的S。见图。见图T1T2Q不可逆过程，分开计算。高不可逆过程，分开计算。高四四.负熵负熵 热寂说热寂说1.1.负熵：负熵：生命系统的熵变生命系统的熵变单细胞单细胞多细胞多细胞 ，由无序由无序有序，即生命系统的有序，即生命系统的热力学过程熵在减少。与熵增原理是否矛盾？热力学过程熵在减少。与熵增原理是否矛盾？生命系统为开放系统，其熵变为：生命系统为开放系统，其熵变为：d d s=d=di is +d +de es d di is系统内不可逆过程的熵变，称为熵产生。系统内不可逆过程的熵变，称为熵产生。d de es s系统与外界交换能量、质量引起的熵变，系统与外界交换能量、质量引起的熵变，称为熵流。称为熵流。孤立系统：孤立系统：d de es s=0 d=0 ds s =d=di is s 0 0熵熵增原理增原理开放系统：开放系统：d de es s 0 0 若若 d de es s 0 0 且且ldlde es sl l d di is s 则：则：d ds s 0 0 即由无序即由无序有序有序 d de es s 0 0 称为负熵称为负熵。42谢谢观赏2019-8-26四四.负熵负熵 热寂说热寂说42谢谢观赏谢谢观赏2019-8-26自组织现象：自组织现象：经典热力学指出，在孤立系中，即使初始存在某种有序或经典热力学指出，在孤立系中，即使初始存在某种有序或差别，随着时间的推移，由于不可逆过程的进行，这种有差别，随着时间的推移，由于不可逆过程的进行，这种有序将被破坏，任何的差别将逐渐消失，有序状态将转变为序将被破坏，任何的差别将逐渐消失，有序状态将转变为最无序的状态最无序的状态平衡态，此时的熵达到最大。热力学第平衡态，此时的熵达到最大。热力学第二定律又保证了这种最无序的状态的稳定性，它再也不能二定律又保证了这种最无序的状态的稳定性，它再也不能自发的逆向转变为有序的状态了。对封闭系统，例如某恒自发的逆向转变为有序的状态了。对封闭系统，例如某恒温定体的系统，平衡态时自由能最小温定体的系统，平衡态时自由能最小 F=U TS 在低温情况下内能的贡献可能成为主要因素，当温度下在低温情况下内能的贡献可能成为主要因素，当温度下降时，由分子排列的某种有序化引起的内能的下降对自由降时，由分子排列的某种有序化引起的内能的下降对自由能的贡献，有可能超过由熵下降而造成的自由能的增加，能的贡献，有可能超过由熵下降而造成的自由能的增加，于是系统有可能处于一种低内能低熵的某种相对有序状态，于是系统有可能处于一种低内能低熵的某种相对有序状态，但无论有序无序其出现的概率都是最大的。这是平衡态统但无论有序无序其出现的概率都是最大的。这是平衡态统计理论的基本假设计理论的基本假设等概率假设决定的等概率假设决定的。43谢谢观赏2019-8-26自组织现象：自组织现象：43谢谢观赏谢谢观赏2019-8-26 按照上述观点解释液体和固体中有序结构的形按照上述观点解释液体和固体中有序结构的形成的理论称为波尔兹曼有序原理。低温下在液体和成的理论称为波尔兹曼有序原理。低温下在液体和固体中出现的这种有序结构称为平衡结构。固体中出现的这种有序结构称为平衡结构。波尔兹曼有序原理无法解释生物中的有序现波尔兹曼有序原理无法解释生物中的有序现象。自然界中约有象。自然界中约有2020种不同的基本氨基酸，若按等种不同的基本氨基酸，若按等概率观点，那么形成某种特定的氨基酸残基排列方概率观点，那么形成某种特定的氨基酸残基排列方式的蛋白质分子的概率是极小的。式的蛋白质分子的概率是极小的。例如一个具有例如一个具有100100个氨基酸残基的蛋白质分子，个氨基酸残基的蛋白质分子，2020个不同种类的氨基酸残基可有个不同种类的氨基酸残基可有1010130130种排列方式，种排列方式，若按等概率观点，要想得到某种特定结构的蛋白质若按等概率观点，要想得到某种特定结构的蛋白质分子的概率为分子的概率为1010-130-130，不可能出现。假设蛋白质分，不可能出现。假设蛋白质分子中氨基酸残基的排列方式可以自动调整，每秒可子中氨基酸残基的排列方式可以自动调整，每秒可以变换以变换10106 6次排列方式，也要等待次排列方式，也要等待1010124124S S，地球的年，地球的年龄为龄为10101717S S，与实际情况不符。，与实际情况不符。44谢谢观赏2019-8-26 按照上述观点解释液体和固体中有序结构的形成的理论称为按照上述观点解释液体和固体中有序结构的形成的理论称为 实际上，在生命过程中，从分子和细胞到有机实际上，在生命过程中，从分子和细胞到有机个体和群体的不同水平上，无论在空间上还是在时个体和群体的不同水平上，无论在空间上还是在时间上都呈现出了有序现象。间上都呈现出了有序现象。概括起来，一个系统内部由无序自发变为有概括起来，一个系统内部由无序自发变为有序序 ，使其中大量分子或单元按一定规律运动的现，使其中大量分子或单元按一定规律运动的现象，称为自组织现象。象，称为自组织现象。按照达尔文的生物进化学说及社会学家关于人按照达尔文的生物进化学说及社会学家关于人类社会进化学说，发展过程总是趋于种类繁多，结类社会进化学说，发展过程总是趋于种类繁多，结构和功能变的复杂，生物体系和社会体系趋于更加构和功能变的复杂，生物体系和社会体系趋于更加有序更加有组织，而不是象经典热力学对于孤立体有序更加有组织，而不是象经典热力学对于孤立体系所描述的那样，总是趋于平衡或无序。人们曾经系所描述的那样，总是趋于平衡或无序。人们曾经把这种不一致解释为，生命现象与非生命现象由不把这种不一致解释为，生命现象与非生命现象由不同规律支配。同规律支配。45谢谢观赏2019-8-26 实际上，在生命过程中，从分子和细胞到有机个体和群体的实际上，在生命过程中，从分子和细胞到有机个体和群体的 无生命世界中的自组织现象：天空中的云会排列成整无生命世界中的自组织现象：天空中的云会排列成整齐的鱼鳞状（细胞云）或带状间隔排列（云街），高空中齐的鱼鳞状（细胞云）或带状间隔排列（云街），高空中的水蒸汽凝结会形成非常有规则的六角形雪花，火山岩浆的水蒸汽凝结会形成非常有规则的六角形雪花，火山岩浆形成的花岗岩中，有时会发现非常有规则的环状或带状结形成的花岗岩中，有时会发现非常有规则的环状或带状结构。激光的发明构。激光的发明 生命世界中与无生命世界中的自组织现象促使人们生命世界中与无生命世界中的自组织现象促使人们认识到，这两个世界在这方面遵循相同的规律。认识到，这两个世界在这方面遵循相同的规律。耗散结构与非平衡态热力学耗散结构与非平衡态热力学 自组织现象说明，系统在外界持续的作用下，被驱使自组织现象说明，系统在外界持续的作用下，被驱使到远离平衡的状态，当外界作用超过一定的临界值时，系到远离平衡的状态，当外界作用超过一定的临界值时，系统的状态将发生突变，从而进入一种空间或时间有序状态。统的状态将发生突变，从而进入一种空间或时间有序状态。由于这种有序的结构是靠不断消耗外界的能量和物质的条由于这种有序的结构是靠不断消耗外界的能量和物质的条件形成和维持的，因而称为耗散结构。研究系统从无序到件形成和维持的，因而称为耗散结构。研究系统从无序到有序的转换规律，热力学的这一分支称为非平衡态热力学。有序的转换规律，热力学的这一分支称为非平衡态热力学。（线形非平衡态（线形非平衡态 非线形非平衡态非线形非平衡态 ）46谢谢观赏2019-8-26 无生命世界中的自组织现象：天空中的云会排列成整齐的鱼鳞无生命世界中的自组织现象：天空中的云会排列成整齐的鱼鳞2.2.熵与热寂熵与热寂威廉威廉.汤姆孙在汤姆孙在18521852年首先提出热寂说，他在关年首先提出热寂说，他在关于自然界中机械能耗散的一篇论文中提出：在自于自然界中机械能耗散的一篇论文中提出：在自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平，最终导致所有的物体的工作能力减小到度拉平，最终导致所有的物体的工作能力减小到0 0，到达热死状态。他在，到达热死状态。他在18621862年发表的关于太阳年发表的关于太阳热的可能寿命的物理考察的论文中，更明确提出：热的可能寿命的物理考察的论文中，更明确提出：热力学的第二个伟大的定律孕含着自然的某种不热力学的第二个伟大的定律孕含着自然的某种不可逆作用原理，这个原理表明虽然机械能不可灭，可逆作用原理，这个原理表明虽然机械能不可灭，却会有一种普遍的耗散趋向，这种耗散在物质的却会有一种普遍的耗散趋向，这种耗散在物质的宇宙中会造成热量逐渐增加和扩散，以及势的枯宇宙中会造成热量逐渐增加和扩散，以及势的枯竭，如果宇宙有限并服从现有定律，那么结果将竭，如果宇宙有限并服从现有定律，那么结果将不可避免的出现宇宙静止和死亡状态。克劳修斯不可避免的出现宇宙静止和死亡状态。克劳修斯在在18651865年也提出：宇宙的熵趋于一个极大值，年也提出：宇宙的熵趋于一个极大值，47谢谢观赏2019-8-262.熵与热寂威廉熵与热寂威廉.汤姆孙在汤姆孙在1852年首先提出热寂说，他在关于年首先提出热寂说，他在关于那时宇宙将处于某种惰性的那时宇宙将处于某种惰性的死寂状态。死寂状态。汤姆孙与克劳修斯将宇宙视为有限、孤立汤姆孙与克劳修斯将宇宙视为有限、孤立的绝热系统，并得出以上结论，在物理学界引起了的绝热系统，并得出以上结论，在物理学界引起了百余年的激烈争论，一些物理学家认为，把以地球百余年的激烈争论，一些物理学家认为，把以地球上的实验为根据建立的原理推广到整个宇宙，是很上的实验为根据建立的原理推广到整个宇宙，是很难置信的。恩格斯在难置信的。恩格斯在18691869年给马克思的信中曾严厉年给马克思的信中曾严厉批判过宇宙热寂说，他说：批判过宇宙热寂说，他说：“既然这种理论认为现既然这种理论认为现在世界上转化为其他各种能的热能的数量日益超过在世界上转化为其他各种能的热能的数量日益超过可以转化为热能的其他各种能的数量，那么，作为可以转化为热能的其他各种能的数量，那么，作为冷却的起点的最初的炽热状态自然就无法解释，甚冷却的起点的最初的炽热状态自然就无法解释，甚至无法理解，因此，就必须设想有上帝的存在了。至无法理解，因此，就必须设想有上帝的存在了。”他指出：宇宙达到热平衡，热运动能量已无法在他指出：宇宙达到热平衡，热运动能量已无法在转换，已不成其为能量，即能量被消灭了。能量具转换，已不成其为能量，即能量被消灭了。能量具有有永恒永恒48谢谢观赏2019-8-26那时宇宙将处于某种惰性的死寂状态。那时宇宙将处于某种惰性的死寂状态。汤姆孙与克汤姆孙与克的转换能力，的转换能力，“放射到太空中的能量一定有可能通放射到太空中的能量一定有可能通过某些途径转变为另一种运动形式。过某些途径转变为另一种运动形式。“热寂说热寂说”的要害在于忽视了引力场在的要害在于忽视了引力场在宇宙演化中的作用。在天体物理领域，引力效应起宇宙演化中的作用。在天体物理领域，引力效应起着举足轻重的作用。引力的影响相当于使系统受外着举足轻重的作用。引力的影响相当于使系统受外界的干扰，均匀分布的物质可以由于引力的效应演界的干扰，均匀分布的物质可以由于引力的效应演变为不均匀分布的团簇，由于引力的干预，使得实变为不均匀分布的团簇，由于引力的干预，使得实际的广大宇宙区域始终处于远离平衡的状态。因此，际的广大宇宙区域始终处于远离平衡的状态。因此，热力学第二定律并不适用于宇宙。热力学第二定律并不适用于宇宙。49谢谢观赏2019-8-26的转换能力，的转换能力，“放射到太空中的能量一定有可能通过某些途径转变为放射到太空中的能量一定有可能通过某些途径转变为