熱力學(xué)第二定律的詰難和佯謬

時(shí)間：2024-08-10 15:09:06 物理畢業(yè)論文我要投稿

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關(guān)于熱力學(xué)第二定律的詰難和佯謬

　　熱力學(xué)第二定律是大學(xué)物理化學(xué)課程的重要教學(xué)內(nèi)容，是整個(gè)課程知識(shí)體系的理論基礎(chǔ)之一，以下是小編搜集整理的一篇探究關(guān)于熱力學(xué)第二定律的詰難和佯謬的論文范文，歡迎閱讀參考。

　　摘要：從正反兩個(gè)方面了解熱力學(xué)第二定律，對(duì)于提高教學(xué)效果是有重要意義的。歷史上對(duì)于熱力學(xué)第二定律的詰難和佯謬主要有“熱寂說(shuō)”、麥克斯韋妖、吉布斯佯謬、洛施密特詰難、策爾梅洛詰難五種。“熱寂說(shuō)”混淆了無(wú)限和有限的界限，忽視了萬(wàn)有引力的作用;麥克斯韋妖沒(méi)有考慮到信息的性質(zhì)和作用;吉布斯佯謬只是一種形式上的佯謬;洛施密特詰難、策爾梅洛詰難則都是忽略了實(shí)際體系的隨機(jī)性質(zhì)。對(duì)五種詰難和佯謬進(jìn)行辨析可知，熱力學(xué)第二定律并沒(méi)有被駁倒。熱力學(xué)第二定律是有嚴(yán)格的適用條件，即只適用于有限時(shí)間和空間的宏觀體系。向?qū)W生介紹以上內(nèi)容有助于其對(duì)熱力學(xué)第二定律科學(xué)本質(zhì)的深入理解，也會(huì)促進(jìn)其正確應(yīng)用熱力學(xué)知識(shí)辨別錯(cuò)誤觀點(diǎn)的能力。

　　關(guān)鍵詞：熱力學(xué)第二定律;詰難;佯謬;辨析

　　熱力學(xué)第二定律是大學(xué)物理化學(xué)課程的重要教學(xué)內(nèi)容，是整個(gè)課程知識(shí)體系的理論基礎(chǔ)之一。在教學(xué)實(shí)踐中，這一部分的學(xué)習(xí)被本科學(xué)生認(rèn)為是本課程中最困難的任務(wù)。除了公式多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁雜等原因外，對(duì)熱力學(xué)第二定律的科學(xué)本質(zhì)的理解和把握難度較大是主要另一個(gè)原因，造成了教學(xué)效果難以提高。正確認(rèn)識(shí)這個(gè)問(wèn)題并采取必要措施，對(duì)提高物理化學(xué)教學(xué)質(zhì)量是有重要意義的。熱力學(xué)第二定律是19世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展所取得的偉大成果之一，它揭示了自然界宏觀過(guò)程的方向和限度問(wèn)題。熱力學(xué)第二定律有多種不同但等效的表述方式�？藙谛匏贡硎龊烷_(kāi)爾文表述是最常見(jiàn)的兩種�？藙谛匏贡硎鰹椋翰豢赡馨褵釓牡蜏匚矬w傳到高溫物體而不引起其他任何變化。開(kāi)爾文表述為：不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣Χ话l(fā)生任何其他變化。熵增加原理表述為：孤立系統(tǒng)的熵永不自動(dòng)減少，熵在可逆過(guò)程中不變，在不可逆過(guò)程中增加。熱力學(xué)第二定律自從產(chǎn)生就不斷地受到詰難和質(zhì)疑，目前這些詰難和質(zhì)疑都已經(jīng)得到解答。但是回顧并且理解這些詰難和質(zhì)疑仍然能促進(jìn)我們科學(xué)認(rèn)識(shí)熱力學(xué)第二定律，特別是在物理化學(xué)的教學(xué)中更能促進(jìn)學(xué)生從正反兩方面加深對(duì)熱力學(xué)第二定律的認(rèn)識(shí)和理解，提高其獨(dú)立思維能力和科學(xué)思辨水平。下面對(duì)這幾種詰難逐一進(jìn)行簡(jiǎn)單分析和討論。

　　一、“熱寂說(shuō)”

　　熱力學(xué)第二定律的奠基人克勞修斯最早提出了“熱寂說(shuō)”。認(rèn)為整個(gè)宇宙是朝著單一的方向變化的，一切運(yùn)動(dòng)形式終將轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)，熱總是自發(fā)地由高溫部分流向低溫部分，最終達(dá)到溫度處處相等的平衡狀態(tài)。這種觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙最終將進(jìn)入一個(gè)死寂的永恒狀態(tài)，如果真是這樣的話(huà)，就對(duì)熱力學(xué)第二定律提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　在19世紀(jì)，能夠認(rèn)識(shí)到“熱寂說(shuō)”謬誤的科學(xué)家寥寥無(wú)幾，當(dāng)然更不可能科學(xué)揭示其實(shí)質(zhì)了。玻耳茲曼曾經(jīng)注意到生物的生長(zhǎng)過(guò)程與熵增加相違背的事實(shí)，還曾進(jìn)一步提出“微觀起伏”說(shuō)來(lái)反駁“熱寂說(shuō)”，但是“微觀起伏”遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以與宇宙中極其巨大的熵增加過(guò)程(例如恒星的衰老死亡和宇宙本身的膨脹)相抗衡。麥克斯韋也模糊意識(shí)到，自然界存在著與熵增加相拮抗的能量控制機(jī)制，但他無(wú)法清晰地說(shuō)明這種機(jī)制。“熱寂說(shuō)”成為19世紀(jì)的自然科學(xué)留給20世紀(jì)的一大疑難問(wèn)題，曾經(jīng)困擾了物理學(xué)界和哲學(xué)界100多年，而沒(méi)有解決。

　　宇宙是無(wú)限的，不是一個(gè)孤立系統(tǒng)，這不符合熱力學(xué)第二定律的條件�，F(xiàn)代觀測(cè)表明，所有的天體都正在離開(kāi)我們，離開(kāi)速度與距離成正比，大約每增加106 l・y，離開(kāi)的速度約增加15 km/s(哈勃常數(shù))，宇宙處在不斷地膨脹之中。宇宙處于動(dòng)態(tài)、非穩(wěn)定狀態(tài)或遠(yuǎn)離平衡的非平衡態(tài)，與克勞修斯所說(shuō)的熱寂狀態(tài)沒(méi)有任何共同之處。這是克勞修斯和他的批判者都沒(méi)有想到的。

　　引力這個(gè)物理因素對(duì)宇宙有重要的影響。在考慮了引力之后，物質(zhì)的均勻程度和等溫分布不再是依據(jù)最概然分布，及不再與熵最大相對(duì)應(yīng)，萬(wàn)有引力使宇宙根本沒(méi)有平衡態(tài)。“熱寂說(shuō)”的要害就在于忽略了引力場(chǎng)在宇宙演化中的作用。宇宙的膨脹和引力出乎前人意料地攻破了“熱寂說(shuō)”�，F(xiàn)在，人們清楚地知道，宇宙不但不會(huì)死亡，反而可以從早期的“熱寂”充滿(mǎn)生機(jī)地復(fù)生。“熱寂說(shuō)”作為困擾科學(xué)界的疑難問(wèn)題，已經(jīng)作為歷史過(guò)去了。

　　二、麥克斯韋妖

　　假定一個(gè)體積不變的絕熱容器，其中充滿(mǎn)溫度和壓強(qiáng)處處恒定的氣體。將容器分割為A、B兩部分的隔板上有一個(gè)小孔，裝配了一個(gè)極端靈巧的閥門(mén)。將一個(gè)敏于觀察、動(dòng)作靈巧的精靈安置在小孔旁。精靈具有高超的本領(lǐng)，能夠及時(shí)開(kāi)閉小孔的閥門(mén)，讓速度較快的分子從A進(jìn)入B，而讓速度較慢的分子從B進(jìn)入A。這樣不是無(wú)需作功就產(chǎn)生溫度差了嗎?該精靈是麥克斯韋將它送進(jìn)物理學(xué)的，因此被稱(chēng)之為麥克斯韋妖。如果真是這樣的話(huà)，麥克斯韋妖就對(duì)熱力學(xué)第二定律提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。令人驚奇的是，非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)柠溈怂鬼f本人竟然也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自己理論的瑕疵。

　　精靈擁有分析氣體分子位置的能力，擁有記憶、存儲(chǔ)和運(yùn)行信息的能力，可以獲得分子位置的信息，并運(yùn)行信息對(duì)閥門(mén)作及時(shí)操作，確實(shí)能使系統(tǒng)變得有序，得到負(fù)熵。實(shí)際上，精靈具有的特殊能力都與熵不可分割地聯(lián)系在一起。妖為了看到分子，必須擁有一盞能照亮分子的燈，從而獲得有關(guān)分子位置的信息，得到負(fù)熵。同時(shí)，燈絲的點(diǎn)亮，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的熵增加;妖吸收被分子散射的光波將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的熵增加;妖打開(kāi)閥門(mén)做功將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的熵增加。把所有這些因素計(jì)算在內(nèi)，系統(tǒng)總熵一定是增加的，這是符合熱力學(xué)第二定律的�？梢�(jiàn)，麥克斯韋妖之所以在表面上與熱力學(xué)第二定律相矛盾，是由于它的條件并不符合要求。熵增定理要求體系是孤立的，而麥克斯韋妖只有在體系是開(kāi)放的情況下，才能工作。

　　三、“吉布斯佯謬”

　　對(duì)等量的兩種不同理想氣體A、B，在體積、溫度、壓力都相等的條件下，混合前總熵

　　S=SA+SB

　　根據(jù)吉布斯定理，混合后總熵等于兩種氣體的分熵之和，即

　　S′=S′A+S′B

　　混合熵ΔS=S′-S=nRln2 (1)

　　混合熵與氣體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。即使兩種氣體性質(zhì)無(wú)限接近，只要存在差別混合熵就由(1)式給定。但是，當(dāng)兩種氣體的性質(zhì)完全相同時(shí)，(1)式不再成立，這時(shí)ΔS=0。依據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這里的ΔS突變似乎不應(yīng)出現(xiàn)，這好像是一個(gè)理論上的謬誤。這就是“吉布斯佯謬”。　　兩種氣體的分子，只要存在差別，總可以把它們分辨開(kāi)來(lái)。因而在混合前后，我們可以探測(cè)到兩種分子的數(shù)密度都發(fā)生了變化，各減小為原來(lái)的二分之一。但是，一旦過(guò)渡到同種氣體，“混合”前后分子數(shù)密度不變。因此，ΔS的突變來(lái)源于不同于相同的突變，或者說(shuō)來(lái)源于分子數(shù)密度的改變的突變，這是客觀存在，“吉布斯佯謬”并非謬誤，所以稱(chēng)為“佯謬”。

　　四、洛施密特詰難

　　洛施密特于1876年對(duì)熵增定理提出詰難。設(shè)想一個(gè)容器中有N個(gè)分子，在不停地做熱運(yùn)動(dòng)。由于分子服從的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是可逆的，如在某一個(gè)時(shí)刻所有分子一齊就地向后轉(zhuǎn)，則他們表現(xiàn)出來(lái)的宏觀歷程必然也逆轉(zhuǎn)了。如果原來(lái)熵在增加，運(yùn)動(dòng)逆轉(zhuǎn)后就必然在減少，這就違反了熵增定律�，F(xiàn)在使用計(jì)算機(jī)模擬分子運(yùn)動(dòng)，證實(shí)了嚴(yán)格的時(shí)間反演確實(shí)會(huì)使系統(tǒng)向初始態(tài)回歸。

　　但是，在現(xiàn)實(shí)世界中世界總是有隨機(jī)性的，會(huì)引入或多或少的誤差。因此在反演過(guò)程中，熵總是有一點(diǎn)回降，隨之就會(huì)上升。而且隨著誤差的加大和碰撞次數(shù)的增多，系統(tǒng)對(duì)初始態(tài)的“記憶”更加模糊，熵的降低過(guò)程會(huì)更加微弱。在系統(tǒng)分子足夠多時(shí)，任何微不足道的誤差都足以使熵減少過(guò)程不會(huì)實(shí)現(xiàn)�？梢�(jiàn)，只有從隨機(jī)的初始條件出發(fā)，熵增定理才是正確的。

　　事實(shí)上，熵不是單調(diào)增加的。對(duì)于宏觀系統(tǒng)，增加的概率遠(yuǎn)大于減少的概率。即使熱平衡態(tài)，熵也會(huì)有一定的漲落。漲落的幅度是非常小的，幅度越大，出現(xiàn)概率越小。

　　五、策爾梅洛詰難

　　1892年龐加萊提出始態(tài)復(fù)現(xiàn)定理：孤立的、有限的保守動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在有限的時(shí)間內(nèi)回復(fù)到任意接近初始組態(tài)的組態(tài)。

　　1896年策爾梅洛引用龐加萊的始態(tài)復(fù)現(xiàn)定理對(duì)熱力學(xué)第二定律提出詰難。認(rèn)為熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)不兼容。玻爾茲曼認(rèn)為始態(tài)是靠漲落來(lái)復(fù)現(xiàn)的，具有1018個(gè)粒子的系統(tǒng)，龐加萊復(fù)現(xiàn)時(shí)間要用1018位數(shù)來(lái)表示。而宇宙的年齡是1010年，用來(lái)表示，只有18～19位數(shù)。對(duì)于宏觀系統(tǒng)，龐加萊始態(tài)復(fù)現(xiàn)理論沒(méi)有現(xiàn)實(shí)意義。

　　綜上所述，經(jīng)過(guò)精細(xì)的分析、論證，所有的詰難都沒(méi)有駁倒熱力學(xué)第二定律，反而使它逐漸完善起來(lái)，人們對(duì)它的理解也逐漸全面、客觀了。熱力學(xué)第二定律有嚴(yán)格的涵義，有嚴(yán)格的應(yīng)用范圍。這個(gè)范圍就是有限的時(shí)間和空間，不能用于微觀世界，也不能用于時(shí)間或空間無(wú)限的系統(tǒng)特別是宇宙。在課堂教學(xué)中，適度引入上述內(nèi)容有利于學(xué)生深入正確理解和把握熱力學(xué)第二定律的科學(xué)本質(zhì)，建立更加牢固的科學(xué)世界觀，從而提升物理化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，為我國(guó)科技事業(yè)發(fā)展培育更多更優(yōu)秀的人才。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.王季陶.現(xiàn)代熱力學(xué)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介[J].物理.2000， 29：9.

　　2.王季陶.現(xiàn)代熱力學(xué)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介[J].物理.2003， 69：1.

　　3.郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

　　4.趙凱華.新概念物理教程：熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998.

　　5.傅獻(xiàn)彩，沈文霞等.物理化學(xué)[M].高等教育出版社，2001.

　　6.李如生.非平衡態(tài)熱力學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)[M].清華大學(xué)出版社，1986.

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