微观粒子课件

第七讲热力学的理论体系与问题讨论大学物理专题讲座主讲人冯杰9/6/20231第七讲热力学的理论体系与问题讨论大学物理专题讲座主讲人

第七讲热力学的理论体系与问题讨论一、热学的理论体系一、热学的理论体系1、基本的理论体系第一章 分子动理学理论导论第二章 分子动理学理论的平衡态理论第三章 输运现象与分子动理论的非平衡态理论第四章 热力学第一定律第五章 热力学第二定律与熵第六章物态与相变9/6/20232第七讲热力学的理论体系与问题讨论一、热学的理论体系一3、理论体系的结构⑴分子动理论——平衡态⑵分子动理论——非平衡态：输运过程⑶热力学第零定律与温度⑷热力学第一定律与能量守恒⑸热力学第二定律与能量转换熵⑹热力学第三定律与绝对零度⑺相变与液态与固态2、基本的概念和原理体系⑴宏观描述方法——热力学⑵微观描述方法——统计物理学⑶热力学系统的平衡态⑷各种温标⑸物态方程——热力学参量⑹物质的微观结构——分子动理论⑺理想气体——温度的微观意义⑻范德瓦耳斯气体——分子势能9/6/202333、理论体系的结构⑴分子动理论——平衡态2、基本的概念⑴宏观二、热力学系统(一)热学物质形态的基本概念1、热学系统2、外界3、间壁4、透热壁大量微观粒子组成的有限宏观物质与热力学系统相互作用的环境包围热力学系统的一层外界物质能使热力学系统与外界进行热传递作用的间壁5、绝热壁

（理想模型）

不能使热力学系统与外界进行热传递作用的间壁9/6/20234二、热力学系统(一)热学物质形态的基本概念1、热学系统2、外6、孤立系统

（理想模型）7、封闭系统

（理想模型）忽略与外界任何相互作用的系统与外界只有能量交，忽略物质交换系统8、开放系统9、热力学物态与外界既能量交换又有物质交换系统⑴理想气体；⑵范德瓦尔斯气体；⑶实际气体；⑷固体（晶体）；⑸非晶体；⑹液体；⑺等值过程……9/6/202356、孤立系统7、封闭系统忽略与外界任何相互作用的系统与(二)热运动的定义1、第一种定义热运动是微观粒子永不停息的无规则运动——是微观粒子的一种运动形式2、第二种定义物质内部大量微观粒子无规则运动的整体表现为宏观物质的热运动——是宏观物质的一种运动形式3、第二种定义的优点⑴热学的研究对象——(大量微观粒子构成的)宏观物质；⑵适合学生的认知特点——宏观物质——微观粒子；⑶微观粒子的运动不仅仅只有无规则运动，还有更复杂更高级的运动形式9/6/20236(二)热运动的定义1、第一种定义热运动是微观粒子永不停息的无(三)热力学的基本原理及概念1、热学第零定律2、热学第一定律3、热学第二定律4、热学第三定律热平衡→温度能量守恒→能量转化量的关系→温度能量转化的方向问题→能量转化质的关系→熵低温世界→绝对零度问题→温度1、等几率原理2、统计学原理随机事件、必然事件、概率、平衡态、系综…随机变量、涨落现象…(四)统计物理学的基本原理及概念9/6/20237(三)热力学的基本原理及概念1、热学第零定律2、热学第一定律三、能量、热传递和功的定义1、能量的定义⑴定性定义：能量是各种形式运动强弱的普遍量度，是系统状态的单值函数。能量不能创生也不能消灭，在各种运动形式之间能量可以转化。①“定义”反映了能量的本质——反映系统运动的强弱②“定义”与“热力学第一定律”一致

③

“定义”不违反“热力学第二定律”——但是没有能够说明热力学第二定律关于“热能（内能）与其他形式能量转化的不平等”9/6/20238三、能量、热传递和功的定义1、能量的定义⑴定性定义：能量⑵定量定义①人为规定单位——焦耳（J）②人为规定定量计算式ⅰ实物粒子能量量子化——光子——实物粒子的波粒二象性ⅱ媒介粒子ⅲ对有限的体系（如宏观实物的固、液、气三态）←静止质量为零9/6/20239⑵定量定义①人为规定单位——焦耳（J）②人为规定定量ⅳ对场●局域场——原则上一般情况下通过场量进行计算，比如●广延场——原则上↑↑能流密度S动量密度g←但场的质量难以确定9/6/202310ⅳ对场●局域场——原则上一般情况下通过场量进行计算，2、热传递、作（广义）功的定义⑴热传递定义:系统与外界仅仅有热运动能量的交换而产生的相互作用方式⑵广义功的定性定义：除热传递之外，系统与外界的一切相互作用方式⑶“作功”与“功”的区别：“做功”是相互作用的一种方式；而“功”是一个物理量3、做功的定义⑴定性定义:系统与外界有(广义)功相互作用过程时，系统能量变化的量度⑵定量定义：功是广义力与广义位移的乘积，是标量⑶广义功的元功形式

外力对质点作功外力对流体作功(“体变”功)外力对表面系统作功外力对可逆电池作功机械功←电功9/6/2023112、热传递、作（广义）功的定义⑴热传递定义:系统与外界仅仅1、内能的宏观定义⑴

定性定义：内能是不考虑系统的外部能量（指系统整体的运动动能和整体在外场中势能——系统整体的机械能）时，系统所具有的能量，它是系统状态的单值函数。⑵定量定义

①内能U的定义——系统的内能即它的“静止能量”ⅱ并不是整个系统的静止质量，而是系统粒子与热运动速率有关的相对论质量之和，但是须排除宏观整体速率的影响。ⅲ两个结构相同的宏观静止系统（体积相同，粒子数相等），但其温度不同，则该两个系统的“静止质量”是不相同的。为什么?四、热学系统内能的定义ⅰ“静止”含义是没有宏观整体（速率）的运动。9/6/2023121、内能的宏观定义⑴定性定义：内能是不考虑系统的外部能量图1系统内部温度近似为零②宏观静止系统内部不同温度，其各粒子的质量不同ⅰ、内部温度近似为零，整个系统的静止质量9/6/202313图1系统内部温度近似为零②宏观静止系统内部不同温度，其各图2系统内部温度大于零ⅱ、内部温度大于零，整个系统的静止质量9/6/202314图2系统内部温度大于零ⅱ、内部温度大于零，整个系统的静止③内能增量

U的定义ⅰ绝热过程：一个过程，其中物体状态的改变，如果完全是由于机械的或电的直接作用的结果而没有受到其他影响，叫做“绝热过程”

ⅱ内能的增量系统有平衡态1到平衡态2任一绝热过程中外界对系统所做的广义功

2、内能的微观定义⑴

定性定义：内能是下述能量之和：它们包括系统内所有分子无规则热运动动能和分子内原子间的势能(以表之)；还包括分子间相互作用的势能(以表之)；其他还包括原子内各基本粒子的能量(以表之)。即内能为⑵定量定义

①经典力学的“能量均分定理”9/6/202315③内能增量U的定义ⅰ绝热过程：一个过程，其中物体状态的改②内能的定量定义式③内能的增量⑶理想气体内能的定量定义

3、热能及其与内能的区别与联系⑴热能定性定义：系统大量分子热运动的能量。或即内能中与有关的那部分能量。或系统内所有分子无规则热运动动能和分子内原子间的势能之和。⑵热能定量定义：“能量均分定理”

9/6/202316②内能的定量定义式③内能的增量⑶理想气体内能的定量定义⑶理想气体中的热能⑷热学理论中较少提到热能的原因

①在内能中，与不断相互转化，实际上二者定量上难以分开计算

②在热力学处理问题时，只看内能的整体变化即可，也无必要将热能单独拿出来研究在原子内各基本粒子的能量忽略的条件下，其内能与热能相同

⑸热能与内能的区别——定性、定量定义可以反映出来——9/6/202317⑶理想气体中的热能⑷热学理论中较少提到热能的原因①1、定性定义2、定量定义

热量是系统与外界在热传递的相互作用过程中，能量变化的量度。⑴宏观角度

⑵微观角度

热量是系统与外界通过分子碰撞、热辐射等方式的相互作用过程中，所传递能量。由于内能和功已有定义，所以由热力学第一定律给出热量的定义为：③

热量与功一样也是“过程量”，而不是“状态量”，因此不能说“物体（处于某状态）含有多少热量”①该定义摆脱了“热质说”②注意：热量的计算公式是基于“热质说

”中热量的角度提出的。五、热量的定义9/6/2023181、定性定义2、定量定义热量是系统与外界在热传递1、共同点2、区别做功热传递（热量）能量变化能量可以转化或传递仅仅是内能的传递，没有能量的转化

微观从微观看，可以有大量分子有规则运动的能量与无规则运动的能量的相互转化

从微观看，仅仅有大量分子无规则运动能量的转移（传递）宏观有(宏观)广义位移，所以是能量转化、传递的宏观形式

无广义位移，所以是能量传递的微观形式。

功与热量都是系统与外界在相互作用时，能量变化的量度，都是过程的特征量(做)功和(传)热量时，系统与外界作用方式不同，具有不同特点作功和热传递（热量）时，能量变化的不同特点六、功与热量的共同点和区别

9/6/2023191、共同点2、区别做功热传递（热量）能量变1、“热量是热运动的能量”，——其不妥之处在于：⑴定义中的“种”（热量）与“属”（能量）的本质是不同的。⑵热量不是能量本身，而是能量变化之量。过程量与状态量不能等同，虽然热量与能量具有相同的量纲。2、“热量是在热传递中，物体吸收或放出热能的多少”

——其不妥之处在于：⑴热传递中，传递的是内能，不仅仅是热能。因为由热力学第一定律，对仅为热传递过程A=0，则，热量等于内能的变化，不是热能的变化。故这样定义“外延”过窄。⑵由于热能实际上没有定量定义，故其变化无法度量，于是“热能变化量”就不是一个已知的明确概念，因此以“热能变化量”去定义热量也就失去意义了七、几种不太妥当的定义9/6/2023201、“热量是热运动的能量”，——其不妥之处在于：⑴定义中的3、“能是功的储藏，功是能的表现——其不妥之处在于⑴该定义出现了逻辑循环⑵将功与能的概念等同了。虽然功与能量也有相同的量纲，但过程量与状态量是不能等同的4、“能量是物体作功的本领”——其不妥之处在于

应当指出：“能量差以一等效机械功去计算”可以作为经典理论的一个定量定义，但将此扩展为定性定义是值得研究的。其不妥之处在于它违反热力学第一、二定律。⑴热力学第一定律——孤立系统的“能量”在不断转化的过程中其大小是不变的，即是“守恒”的；⑵热力学第二定律——“功”变“热”是不可逆的；系统某时刻所处状态作功的本领的大小，取决于此时刻系统能量所对应于运动形式的“有序程度”。9/6/2023213、“能是功的储藏，功是能的表现⑴该定义出现了逻辑循环⑵八、热力学第二定律与不可逆过程1、不可逆过程⑴定义：如果一个过程可以逆向进行使系统和外界都恢复到原来状态而不引起其他变化——可逆过程（沿负方向可以自发进行的过程）不满足这个条件的过程就是不可逆过程。不可逆过程——沿负方向不可以自发进行的过程：外界影响不能自动消除⑵不可逆过程是“实际的过程”——一切实际的宏观过程都是不可逆的，⑷可逆过程是理想过程——正方向、负方向都可以自发的进行。⑶“实际的过程”的不可逆性、“实际的过程”的方向性——一切实际的过程都是不可逆的，——一切自发宏观实际的过程都是有方向的；（自发：正方向，外界未施加影响）。（正方向：功变热、扩散、热量由高温传向低温物体……）——但不能说一切宏观实际的过程都是有方向的。（负方向：热变功、热量由低温传向高温物体——非孤立系统）；——热力学第二定律的严格定性表述9/6/202322八、热力学第二定律与不可逆过程1、不可逆过程⑴定义：如果一2、热力学第二定律与第一定律在实质上的比较★热力学第零定律——热平衡（温度）★热力学第一定律——能量转化与守恒→孤立系统★热力学第二定律——能量转化的方向性⑴热力学第二定律的定性表述：一切实际的宏观过程都是不可逆的，（任何一种不可逆过程都可以作为热力学第二定律的定性表述。）⑴守恒：量的关系——运动总量孤立系统

开放系统：无总能量⑵转化：质的关系——运动形式运动（物质）不灭恩格斯：运动与物质的不灭原理开尔文表述：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。或：第二类永动机是不可能制造成功的。克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他变化。两种表述完全等价——一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的！热力学第二定律表明：有限宇宙（孤立系统）内，运动的质（运动形式）是不守恒的9/6/2023232、热力学第二定律与第一定律在实质上的比较★热力学第零定律—⑵适用范围3、热力学第二定律⑴物理本质：能量转化关系的不平等①大量粒子体系宏观系统的宏观过程——统计意义；不适用少量粒子体系；不适用微观系统的微观过程；②有限的时空内，以排斥运动为主的区域——孤立系统或非孤立系统：⑶热力学第二定律的理论意义①我们所处宇宙区域目前阶段的各种宏观过程总有热耗散（热运动）存在。

造成热运动与其他运动转化的不平衡。★热耗散是指固体的摩擦，液体粘滞内摩擦，非弹性形变，电阻，磁滞等；宏观过程的方向性→热力学第二定律定性表述→定义可逆过程与不可逆过程——严密科学地表述热力学第二定律→熵——热力学第二定律定量表述→信息熵（三论）→耗散结构理论→……⑷热力学第二定律的实验基础：不可逆过程的主要根源——

进行理论探讨一切实际的宏观过程都是不可逆的9/6/202324⑵适用范围3、热力学第二定律⑴物理本质：能量转化关系的⑸热力学第二定律的宏观定量表述：熵③宇宙时空中，应该有“吸引运动”的区域，在哪里？——……⑤在孤立系统内，自然界的一切实际的宏观过程都是不可逆的

——反映了时间的单向特性——事件先后顺序的不可逆性，突出物质世界的演化、进化特征。经典力学、电磁学、量子力学和相对论动力学都没有反映出时间的单向性或④外推法的问题：物质存在的不同层次中，不仅有物质“量”的差别，而且运动规律有“质”的不同；物理学、哲学上的问题——不能把有限时空的结论外推到无限时空。⑥可逆过程——理想过程（我们规定它适用各种微观过程，无论粒子多少）

——时间是可以双向的。⑦时间的单向特性无论对宏观过程还是对微观过程都是适用的在“熵”中详细讨论——②我们所处宇宙时空目前阶段是“排斥运动”为主的区域，没有足够的“吸引运动”与其相平衡——热运动越来越多，其他运动越来越少，造成能量“质”不守恒（虽然量是守恒的）9/6/202325⑸热力学第二定律的宏观定量表述：熵③宇宙时空中，应该有1、热力学第二定律的数学表达式或九、热力学第二定律与熵其等号对应于可逆过程，不等号对应于不可逆过程⑵克劳修斯等式★可逆卡诺热机的效率⑴热力学温标的定义9/6/2023261、热力学第二定律的数学表达式或九、热力学第二定律与熵其等号★不可逆热机的效率⑶克劳修斯不等式9/6/202327★不可逆热机的效率⑶克劳修斯不等式8/3/202327⑴意义：适用于信息论、控制论、概率论、数论、天体物理、宇宙论和生命科学等⑵历史溯源：“熵”的概念最早于1850年由朗肯提出，克劳修斯从态函数的角度考虑，认为“熵”与“能”的概念类似，1923年我国物理学家胡刚复先生翻译成“熵”。“绝对熵”的概念是普朗克于1911年提出的。⑶“熵”的定义或对任意可逆过程2、熵——热力学第二定律的严格定量表述①“熵”宏观定量定义熵增加原理：一个孤立系统的熵永不减少。比如，对于绝热过程dQ=0，则必有SA－SB≥0，因此有，对不可逆过程9/6/202328⑴意义：适用于信息论、控制论、概率论、数论、天体物理、⑵★确定熵的零点——可以容易选取→工程上可以去0℃水的熵值为零；★能斯托定理：当温度为绝对零度时，任何物质的熵都等于零热力学第三定律——此时，粒子的分布是最有序的状态。

★选取了熵的零点后，绝对熵有了确切的意义②绝对熵的物理意义★选取了熵的零点后，才体现出熵是态函数；绝对熵的定义：熵是一个态函数，它是标征系统内能（热能）转变为功的本领大小的物理量。不可逆过程中有热能流入系统造成的熵增不可逆过程本身造成的熵增绝对熵：在客观上规定了零点之后，熵的绝对值。9/6/202329★确定熵的零点——可以容易选取→工程上可以去0℃水③“熵”宏观定性定义

●熵差的定义：是描述自发实际宏观过程进行方向的物理量，并以达到熵的最大值为过程进行的限度。★中间过程绝对熵

S

物理量意义—能量做功本领的退化——“能量退化”。●设周围低温热源的温度为T0，某一高温热源的温度为T1，则，工作于这两个热源之间的卡诺热机的效率为●此时，该高温热源的温度变为T2，周围低温热源的温度仍然为T0，则，工作于这两个热源之间的卡诺热机的效率为●卡诺热机的效率降低了●卡诺热机两次对外做功效率降低的能量——能量退化Ed9/6/202330③“熵”宏观定性定义●熵差的定义：是描述自④“熵”微观定性定义⑤“熵”微观定量定义熵的含义：其一：熵是一个态函数，它是表征系统内能（或热能）转变为功的本领大小的物理量。其二：熵是衡量系统接近稳定平衡态程度的物理量。熵是微观粒子混乱（程）度（或无序性）的量度是玻尔兹曼常数是热力学概率——某宏观状态所对应的微观状态数。●卡诺热机两次对外做功后，系统的熵增加为●所以，由●得←两次对外做功后，系统的不可逆过程能量退化与系统的熵增加为成正比9/6/202331④“熵”微观定性定义⑤“熵”微观定量定义熵的含义：宏观状态所对应的微观状态——4个粒子随机处于A、B室9/6/202332宏观状态所对应的微观状态——4个粒子随机处于A、B室3、熵的特点⑴熵定量方面的特点①熵是状态量——系统的单值函数②熵是相对量——熵差才有真正的物理意义③熵是广延量——广义熵④熵是演进量——对于孤立系统，按熵增加原理演化⑤熵是二元量对于可逆过程对于不可逆过程＞“熵产生”——因为，所以，设称之为“熵产生”＞“熵流”——9/6/2023333、熵的特点⑴熵定量方面的特点①熵是状态量——系统的②⑵熵定性方面的特点①熵是能量在空间分布不均匀性量度②熵是不可利用的能多少的量度③“熵产生”是过程不可逆性的量度④熵是无序程度的量度——无序程度增加，系统熵增加⑤熵是过程方向的判椐对于不可逆绝热过程或孤立系统内的宏观过程——按熵增加的方向进行⑥熵是平衡态的判椐——熵取极大值⑦熵是宏观态的概率⑧熵是系统失去信息多少的量度＞0不可逆过程可逆过程温度T、内能U和熵S三个态函数是基本热力学函数，由此三个函数的组合可以构成其他的热力学函数。比如：自由能F=U—TS

吉普斯函数G=U—TS+PV9/6/202334⑵熵定性方面的特点①熵是能量在空间分布不均匀性量度②熵温度T、内能U和熵S三个态函数是基本热力学函数，由此三个函数的组合可以构成其他的热力学函数。比如：

自由能F=U—TS：吉普斯函数G=U—TS+PV⑶热力学第二定律关于实际宏观过程方向性的微观解释过程总是从热力学概率小的的状态向热力学概率大的状态进行。即⑷温度、内能和熵构成了热力学的理论基础温度T——微观→分子无规则运动的剧烈程度，宏观→系统冷热程度←平衡

——热力学第零定律内能U——微观→参与热运动的能量多少，宏观→系统热运动强度←守恒

——热力学第一定律熵S——微观→参与热运动的概率，宏观→系统内不可利用能的程度←演化

——热力学第二定律9/6/202335温度T、内能U和熵S三个态函数是基本热力学函数，由此三个1、热寂学的诞生⑴克劳修斯把“熵增加原理”作了不恰当的推广——得到了一个热寂世界⑵热寂学的物理图景——寒冷、黑暗、寂静和死亡的宇宙末日——整个宇宙趋于同一温度（接近0K）→没有运动的多样化……⑶如何认识热寂学——严密的逻辑论证，而不是简单的否定；事实(科学、自然科学)反驳，而不是简单的批判2、熵增加原理是热力学第二定律在一定条件下的推论⑴热力学第二定律⑵熵增加原理⑶熵增加原理的适用范围绝热系统孤立系统所以绝热系统或孤立系统的熵永不减少①满足热力学第二定律本身的适用条件大量粒子构成的宏观体系；有限的时空范围——排斥…十、熵增加原理与热寂学的话题9/6/2023361、热寂学的诞生⑴克劳修斯把“熵增加原理”作了不恰当的推广②满足“孤立系统”条件——理想模型孤立系统熵增加的特点：从某一给定的非平衡态出发，逐步趋向平衡态，最终达到宏观运动的停止。3、关于宇宙的讨论⑴哲学的宇宙——无限的宇宙→⑵我们的宇宙——恩格斯的界定既不是“非孤立系”，也不是理想模型的“孤立系”人类所处的某一层次；目前自然科学的极限；现代宇宙学的研究对象；现代宇宙学的“大爆炸宇宙模型”；恩格斯的“宇宙岛”；爱因斯坦的“有限无边”；⑶我们的宇宙——起源①150亿年前大爆炸→原始火球→假真空态：超高温、超高压、超密度→暴胀（t=s,T=K）自发破缺产生光子、轻子和夸克→继续膨胀降温（T=K）形成中子、质子、介子…继续膨胀降温（T=K）氘核形成氦核→氦丰度（26%稳定）→继续降温（70万年，T=4000K）开始形成原子，光子成为自由粒子，四外辐射，“我们的宇宙”由混沌变为透明→光子继续辐射膨胀：光子能量密度下降，构成今日的微波背景辐射温度2.7K→3K背景9/6/202337②满足“孤立系统”条件——理想模型孤立系统熵增加的特点：从⑷观测宇宙——天文学的观测范围——200亿光年以上…理论探讨有意义的是“哲学的宇宙”和“我们的宇宙”。“观测宇宙”是人为的实验意义上的规定——“观测宇宙”的范围越大，越接近“我们的宇宙”辐射温度，与实验吻合。继续膨胀起伏→气云、天体、星系…→100亿年，具备某些条件的天体出现含H的有机物→植物、生物→高级智慧生物→人类社会…目前，“我们的宇宙”仍在继续膨胀→类星体辐射的频谱红移…②我们的宇宙的总熵在增加：平均温度和平均密度在减小。但是，我们的宇宙的温度分布、密度分布越来越不均匀，出现了无序向有序过渡的实际过程，这显然不是孤立系统内熵增加原理所描述的过程。因此，我们的宇宙不能看成是孤立系统。外界对我们的宇宙产生影响的物理机制——目前尚不清楚

——

自然科学的课题→产生多少诺贝尔奖9/6/202338⑷观测宇宙——天文学的观测范围——200亿光年以上…理我们的宇宙的实际熵S增落后于实际熵值的最大值Smax9/6/202339我们的宇宙的实际熵S增落后于实际熵值的最大值Smax84、对热寂学的批判⑴不能把“熵增加原理”外推到“无限宇宙”①熵增加原理虽然说明运动的“质”在有限时空内可以不守恒，但在无限宇宙内应该是守恒的→宇宙内的排斥运动和吸引运动一定是互相平衡的，②功变热是的排斥运动为主运动；热变功的吸引运动是什么运动呢——恩格斯说，不是上帝，是未来自然科学的任务③单纯的涨落理论缺乏说服力——局部的吸引运动不足于抗衡排斥运动④普里高金(IlyaPrigogine，比利时物理学、化学家)的“耗散结构”理论——一个开发系统在远离平衡态的非线性区从混沌向有序转化的共同机制和规律——1977年获诺贝尔化学奖耗散结构——需要与外界不断交换物质与能量的非孤立系统←三个方面9/6/2023404、对热寂学的批判⑴不能把“熵增加原理自组织理论——解决热力学第二定律的矛盾★热力学第二定律：接近平衡态的孤立系统是一个

熵增加系统——退化系统★自组织理论：远离平衡态的开放系统是一个

负熵系统——进化系统★自组织理论从宏观、微观和生物学角度揭示进化的机制★自组织理论包括耗散结构理论、协同学、超循环理论以及分形理论和混沌理论9/6/202341自组织理论——解决热力学第二定律的矛盾★热力学第二定律：接近⑵也不能把“熵增加原理”外推到“我们的宇宙”⑶“我们的宇宙”之未来也决不会“热死”——对立统一、盈则亏，否极泰来虽然，我们的宇宙的平均温度和平均密度在减小，但是，我们的宇宙的温度分布、密度分布越来越不均匀，出现了无序向有序过渡的实际过程，不是孤立系统内熵增加原理所描述的过程。因此，我们的宇宙不能看成是孤立系统。实际熵S增落后于实际熵值的最大值Smax9/6/202342⑵也不能把“熵增加原理”外推到5、热力学定律适用范围的比较⑵物质及运动的不灭原理⑶热力学第二定律(有限时空的孤立系——能量的质不守恒——不对称)⑴热力学第一定律（能量转化与守恒定律）①该定律对“无限宇宙”没有意义——因为总能量无法度量②总能量：孤立系统内，没有“质”的转化，就没有“量”的守恒；③适用范围：有限时空的孤立系；孤立系内任何体系（无论粒子多少）孤立系内的任何过程（无论宏观、微观）孤立系“质”的转化是对称的——只有坚持“质”的守恒→运动（物质）的多样性：才有“量”的守恒→运动（物质）的不灭；’——哲学升华①实际宏观过程（无论自发还是非自发的）都是不可逆的②适用范围：有限时空的以“排斥运动为主的区域”（无论是孤立系，还是非孤立系）；大量粒子体系宏观系统的宏观过程。9/6/2023435、热力学定律适用范围的比较⑵物质及运动的不灭原理⑶热力十一、负绝对温度

(一)热力学绝对零度是不能达到的1、热力学第三定律的表述不可能使一个物体冷到绝对温度的零度2、热力学第三定律的意义⑴热力学第三定律是一个独立的定律

⑵热力学第三定律不可能有热力学第二定律推证热力学第三定律是说明在T=0K的极限情况下，系统的宏观状态的性质因为热力学第二定律是建立在温度大于零的实验基础之上的,而热力学第零定律是T=0K的极限情况。就向不可能由牛顿第二定律(实验定律)推证牛顿第一定律(理想极限)一样(一)热力学绝对零度是不能达到的⑶热力学第零、第一和第二定律都是说明在T>0K的情况9/6/202344十一、负绝对温度

(一)热力学绝对零度是不能达到的1、热力学1、温度概念经典统计的微观定义2、温度概念量子统计的微观定义⑴局限性⑵量子力学指出零点能的存在粒子只能处于不同的能级，其能量是量子化的。系统的温度越高，分布在高能级的粒子数越多⑵量子统计关于温度的微观定性定义⑶其量子统计定义与经典统计的定义仍一致：大量粒子无规则运动剧烈程度的物理量⑴

量子统计关于温度的概念温度是表征粒子数按能级分布情况的物理量(二)温度概念量子统计的微观定义9/6/2023451、温度概念经典统计的微观定义2、温度概念量子统计的微观定义3、从量子统计理论看“负绝对温度”存在的可能性⑴

处于能量为

能级上粒子数为●其中n总粒子数，ωL为能级的简并度；Z为配分函数●两能级的粒子数n2

与n1之比←玻尔兹曼分布9/6/2023463、从量子统计理论看“负绝对温度”存在的可能性⑴处于能量为⑵讨论——“负绝对温度”存在的可能性●零点能：当T→0K时，n2→0，即粒子全部在这一最低能级上●正常分布：当T>0K时，n2<n1，即高能级粒子数比最低能级粒子数少●熵达到极大值：当T→∞时，n2=n1，即系统熵达极大值●粒子数反转：当T<0K时，n2>n1，即系统达负绝对温度●两能级的粒子数n2

与n1之比9/6/202347⑵讨论——“负绝对温度”存在的可能性●零点能：当T→0K时，1、热学理论承认负绝对温度存在的合理性⑴朗道预言；1951年铂色耳和庞德的核自旋；1956年喇姆塞的完整理论⑵量子统计理论方面●粒子数反转系统：当T<0K时，n2>n1，即系统达负绝对温度⑶

热力学理论方面●热力学基本方程并没有限定必须T>0●热力学基本方程中T<0的情形★如果系统的熵S是系统能量U的单调增函数，则系统有T>0★如果系统的熵S是系统能量U的单调增函数，S随U的变化率取负值时，则系统必须T<0

(三)负绝对温度的概念9/6/2023481、热学理论承认负绝对温度存在的合理性⑴朗道预言；1952、负绝对温度存在的三个条件——喇姆塞的理论总结如下

条件二：系统能级数目有限，而且有能量上限，可以实现“粒子数反转”条件三：由于负绝对温度系统很热，为了保证“短时间的平衡”，系统必须“”绝热条件一：系统本身内部相互作用的驰豫时间很短，能够保证内部达到短时间的平衡3、从核自旋系统的实验，看负绝对温度概念的特色⑴核自旋系统的实验原理——核系统温度——可以实现负绝对温度●核自旋系统——二能级系统，高能级有上限——满足第二个条件●核系统内部相互作用的驰豫时间比离子晶格之间的相互作用时间短得多——满足第一个条件●核系统内部让外磁场快速反向，即实现“绝热过程”——满足第三个条件9/6/2023492、负绝对温度存在的三个条件——喇姆塞的理论总结如下条件4、核自旋系统的能级分布⑴

设想当T=+0K时，全部粒子均处于最低能级●核自旋磁矩与外场方向全部相同●粒子处于完全有序状态，熵最小●核系统内部能量最小●全部粒子处于最低能级图3

设想T=+0K时，n1=N，n2=0；Umin=Nε1；S=09/6/2023504、核自旋系统的能级分布⑴设想当T=+0K时，全部粒4、核自旋系统的能级分布●某些核自旋磁矩与外场方向相反，而升入高能级●粒子有序度减小，核系统的熵和内部能量都在增加⑵

当温度逐步升高时，粒子的有序度受到破坏图4设想T>0K时，n1>n2；U↑

；S↑9/6/2023514、核自旋系统的能级分布●某些核自旋磁矩与外场方向相反，而升4、核自旋系统的能级分布●系统粒子数分布：T=+∞K时，

n1=n2●系统处于完全无序状态，熵达极大值●核系统内部能量没有达到最大值⑶

当温度升高T=+∞K时，粒子的有序度受到完全的破坏图5

T=+∞K时，n1=n2；U=N(ε1+ε2)/2；S=Smax9/6/2023524、核自旋系统的能级分布●系统粒子数分布：T=+∞K时，4、核自旋系统的能级分布●能级高的粒子数大于能级高的粒子数●粒子有序状态增加，熵减小●核系统内部能量增加⑷

当温度继续升高时，T超过+∞K后，当n2>n1时，有T<0K图6

T<0K时，n2>