麦克斯韦的妖精
1
个“妖精”,神通广大,能跟踪充满容器的 每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板 分为A,B两部分,并在隔板上安装一个阀门, 当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部 分经过阀门进入另一部分去 假设这个容器开始时完全充满了一定温度的气 体,按照热的动力论,一定的温度对应于分子 的一定的平均温度,因为气体分子的运动具有 随机性质,有的分子的速度将大于平均值,有 的则将小于平均值。妖精在适当的时候打开阀 门,让快的分子从B进入A,慢的分子从A进入 B,结果不须消耗能量,B部分的温度就下降 A部分的温度就上升,热量可以自发地从低温 物体流向高温物体
2 • 一个“妖精”，神通广大，能跟踪充满容器的 每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板 分为A ，B两部分，并在隔板上安装一个阀门， 当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部 分经过阀门进入另一部分去。 假设这个容器开始时完全充满了一定温度的气 体，按照热的动力论，一定的温度对应于分子 的一定的平均温度，因为气体分子的运动具有 随机性质，有的分子的速度将大于平均值，有 的则将小于平均值。妖精在适当的时候打开阀 门，让快的分子从B 进入A，慢的分子从A进入 B ，结果不须消耗能量，B 部分的温度就下降， A部分的温度就上升，热量可以自发地从低温 物体流向高温物体
麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗? 般的解释是:妖精必须得到 知 识”,才能把“快”分子和“慢”分子 区分开来。为了获得这些信息,要不要 消耗能量?如果需要,则容器、气体、 隔板、妖精作为封闭系统,为得到所要 信息所需的能量,将不大于因利用这 信息而消耗的能量,并没有违反热力学 第二定律
3 • 一般的解释是：妖精必须得到一些“知 识”，才能把“快”分子和“慢”分子 区分开来。为了获得这些信息，要不要 消耗能量？如果需要，则容器、气体、 隔板、妖精作为封闭系统，为得到所要 信息所需的能量，将不大于因利用这一 信息而消耗的能量，并没有违反热力学 第二定律。 麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗？
自发总是从有序到无序演化 但是麦克斯韦的妖精可以使其向有序化发 展,酶,就是生命中的麦克斯韦的妖精; 而人类全体作为麦克斯韦的妖精,增加着 社会的有序度。毕竟,“妖精”,用通俗 的话说,是个生物,也是个信息系统 “妖精”就是对宇宙演化的一种抗争
4 自发总是从有序到无序演化 • 但是麦克斯韦的妖精可以使其向有序化发 展，酶，就是生命中的麦克斯韦的妖精； 而人类全体作为麦克斯韦的妖精，增加着 社会的有序度。毕竟，“妖精”，用通俗 的话说，是个生物，也是个信息系统， “妖精”就是对宇宙演化的一种抗争
数力学评的 微观解释
5 热力学第二定律的 微观解释
热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化 过程中必须遵循的规律,但并未限定过程进行的方向。 凡符合热一律的过程一即符合能量守恒的过程是 否都能实现呢? 实验表明,自然界中一切与热现象有关的宏观过程都 是有方向性的。 、自然过程的方向性 例如:气体的绝热自由膨胀过程 AB AB 热传导过程 这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的 方向进行的,相反方向的过程不能自动发生,或者说, 如果可以发生,则必然引起其它后果
6 热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化 过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。 凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程是 否都能实现呢？ 实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都 是有方向性的。 一、自然过程的方向性 热传导过程 A B A B 例如：气体的绝热自由膨胀过程。 这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的 方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说， 如果可以发生，则必然引起其它后果
热力学第一定律无法对这类问题作出解释,需要 个独立于热力学第一定律的新的自然规律,即热力 学第二定律来解释 热力学第二定律 1.开尔文表述 1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。 不可能从单一热源吸取热量,使之完全变成 有用的功而不产生其他影响。 功可以完全变热,但要把热完全变为功而不产生其它 影响是不可能的。 以热机为例,热机的循环除了热变功外,还必定有 定的热量从高温热源传给低温热源,即产生了其它效果
7 热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要 一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力 学第二定律来解释。 二、热力学第二定律 – 不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成 有用的功而不产生其他影响。 功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它 影响是不可能的。 1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。 1.开尔文表述 以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一 定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果
热全部变为功的过程也是有的,如,理想气体等温膨 胀。但这时引起了其它的变化。 开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性 77 高温热源T1 第二类永动机(单热机)不 吸第二类 能制成。 热机 永动机 A
8 热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨 胀。但这时引起了其它的变化。 开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性 高温热源T1 热机 A Q吸 吸 吸 放 Q Q −|Q | = =1 第二类永动机（单热机）不 能制成。 第二类 永动机
2、克劳修斯表述 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而 不引起其它的变化。 与之相应的经验事实是,当 两个不同温度的物体相互接触时, 热量将自动地由高温物体向低温高温热源T 物体传递,而不可能自发地由低 温物体传到高温物体 放 如果借助制冷机,当然可以把 热量由低温传递到高温,但要以 外界作功为代价,也就是引起了 其它变化。克氏表述指明热传导[低温热源T2 过程是有方向的
9 高温热源T1 低温热源T2 Q吸 Q放 与之相应的经验事实是，当 两个不同温度的物体相互接触时， 热量将自动地由高温物体向低温 物体传递，而不可能自发地由低 温物体传到高温物体。 如果借助制冷机，当然可以把 热量由低温传递到高温，但要以 外界作功为代价，也就是引起了 其它变化。克氏表述指明热传导 过程是有方向的。 2、克劳修斯表述 – 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而 不引起其它的变化
3、两种表述是统一的 1.从开尔文表述入手 高温热源 高温热源 +4O)x 假定单热机是可以 ()致冷机 造成的,则 2 单热机 2 高温源ˇ低温源」匚低温热源」〖低温热源 2从克劳修斯表述入手 2 高温热源[高温热源 假定热量能 Qf1Q 自动地从低温源 热机 A 传到高温源,则Q2 2 单热机也能造成。 单热机 低温热源 热力学过程是有方向性的。 10
10 1.从开尔文表述入手 假定单热机是可以 造成的，则 高温源 低温源 Q 高温热源 T1 低温热源 T2 Q1 Q2 + A 单热机 Q2 致冷机 高温热源 T1 低温热源 T2 Q2 A ( ) Q1 3、两种表述是统一的 2.从克劳修斯表述入手 高温热源 T1 低温热源 T2 Q2 热机 Q2 A Q1 高温热源 Q T 1 −1 Q2 A 单热机 假定热量能 自动地从低温源 传到高温源，则 单热机也能造成。 热力学过程是有方向性的