热力学第二定律解决的基本问题,谈谈对热力学第二定律的理解

首页 > 经验 > 作者:YD1662023-11-14 11:00:37

最后需要注意的是,黑洞似乎是违反热力学第二定律的,因为奇点是物质最有序的形式,所以应该熵值为零。但是,史蒂芬霍金证实了黑洞所吸收的物质熵存储在其事件视界的表面区域,因此当黑洞由于霍金辐射衰变时,这些物质熵也将被释放回宇宙中。

有一些相当有见地的第二定律等价命题:

1)一个过程中,如果系统的初态和末态相同,那么热不可能全部被用来做功。

2)热将自发性从一个高温物体流向低温物体。

3)熵的变化等效于沿可逆路径的热量变化除以温度。

4)孤立系统的熵总是在自发过程中增加。

最后一种定义本质上就是我们正在讨论的那个。

“熵是无序的”,这一说法严格来说并不正确,但是不幸的是,这个概念已经广为流传了。

热力学第二定律解决的基本问题,谈谈对热力学第二定律的理解(9)

黑洞(中)在大麦哲伦星云前面的模拟图。请注意引力透镜的影响,产生了放大的,但高度扭曲的星云的两个影像。在顶部的银河系盘面扭曲成一个弧形。

考虑这样的情况:液体凝固成一个分子有序排列的晶体;根据熵的上述定义方法,这一过程应该永远不会发生,但是我们知道这个过程是存在的。为什么?

对于熵的更好的一个定义方法是由波兹曼提出的,基于统计力学规律的:

熵可以被认为是与系统内部自排序方式的数量直接相关,每一种排序方式都构成了系统的一个“微观状态”。

因此,一个系统力求其不同微观状态的总数最大化。

为了更清晰地说明这个原理,试想一个充满气体的容器。其中的气体所占体积恒定、所处温度恒定。在这个容器中,气体分子将不断运动,如果在某一时间点暂停这个系统中的所有分子活动,我们将发现这些分子都停留在一个固定位置上。将这些分子的位置信息汇总即可得到一个系统的微观状态。那么现在我们将系统重启备份,稍后终止运行,在此过程中我们(或许)将发现这个系统处于一个与之前备份不同的状态。系统运行足够长时间后,这个系统将遍历所有可能的微观状态,并最终处于同一微分状态。而这个系统所有可能的微观状态越多,这个系统的熵就会越高。

热力学第二定律解决的基本问题,谈谈对热力学第二定律的理解(10)

这样子理解这一定律后,不难发现熵与系统无序与否无关,而与系统微观状态有关。

熵值总是不断增加的,因为当一个系统可能的微观状态最多时,这个系统达到最稳定的状态,而系统的无序性不是其影响因素。

物质不一定守恒,而能量一定守恒。

下面考虑这样一个案例:两个原子经历核反应并不断释放能量,这一过程与原子弹或是核反应容器中的核反应相似。这个产品的质量(物质量)必然将小于初始状态的数值—质量消失了!这是因为失去的物质质量转换为能量了。

爱因斯坦提出了质量损失与产生的能量之间的关系方程:E=mc^2

能量而不是质量是守恒的。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. physlink- Scott Bembenek

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