打破“热寂”的神话——热力学第二定律的适用范围z

中原

转自旧大科技论坛，作者中微子

好久不来了，终于放五一了，发点好玩的
看来很多人都对热力学第二定律很感兴趣。这篇文章就是关于它了
热力学第二定律的数学表达式是dQ<=Tds（或dQ-Tds<=0），其中dQ、T、ds分别代表吸热（若是负的表示放热）、温度、熵变。等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程。代表的意义是：热量变化一定带来熵变
该定律的涵盖范围是极其广泛的，日常生活中的例证的随处可见。因此，不难理解为什么物理学家们会对他如此有信心，热力学奠基人之一的克劳修斯把它应用于大尺度宇宙学，得到了一个悲观的结果：热寂（具体内容略）
然而，与其它的理论一样，热力学第二定律也有它的适用范围，超出一步，真理便是谬误
举个很简单的例子来说，如果热力学第二定律总是成立，那么就永远不会有饱和溶液了
通常溶质的溶解同时伴随着放热和熵增（也有吸热的，较少见）。然而任意时刻，溶液中存在以下两种变化：
溶质+水=溶液（溶质溶解）
溶液=水+溶质（溶质析出）
当溶液饱和时即二者平衡。注意：第一种变化满足放热和熵增，第二种变化恰好反了过来，dQ-Tds>0，根据热力学第二定律，这种变化不可能发生，可是事实上却是实实在在地发生了。只是宏观上没有表现出来
设计这样一个试验：把一块外形极不规则的食盐晶体投入饱和食盐水中，将发现食盐晶体的外形逐渐具有较高的对称性（晶体的性质），在此过程中热量几乎可以忽略，熵却是减小了
这就从宏观上表现出了溶质的析出效应
热力学另一位奠基人波尔兹曼指出，热力学第二定律所禁止的过程不是不可能发生，只是“概率很小而已”。彭加勒则证明对于纯粹的热力学体系，在相当长的一段时间内，系统能够回到初态。这就表明了热力学第二定律的局限性。也就打破了热寂的神话
另外在大尺度上，引力可以使熵减小，而不涉及热量
热力学第二定律的实质，指的是大量粒子的相互作用都是对称出现的，例如有引力就有斥力，有作用力就有反作用力，有靠近就有远离。如果破坏了这种对称性，热力学第二定律就不能成立
实际上第二类永动机不是造不出来，而是效率太低或是条件太苛刻。比方说，拿一个只允许水分子单向通过的滤膜（类似于心脏瓣膜的东西），把它竖着插入水中，这样两边就会出现水的高度差（一方面水分子的无规则运动，另一方面水分子只能过去而回不来），然后滤膜上捅一个洞，在液体压强的作用下水会由高的流向低的，即水的内能转化为机械能。不过这种装置实在是不实用
事实上，宇宙就是一个永动机，不过这种条件是人为无法创造的，而且它的“永动”不是简单的循环，而是循环中的上升，即低级的运动形式转化为高级的运动形式

dlq

还好,我既参加了物理竞赛,又参加了化学竞赛,总算勉强看懂了.

中微子果然强人啊,汗啊我

水哲学

“热力学第二定律的实质，指的是大量粒子的相互作用都是对称出现的，例如有引力就有斥力，有作用力就有反作用力，有靠近就有远离。如果破坏了这种对称性，热力学第二定律就不能成立 ”
也就是说宇宙的混乱和有序是并行的？
热力学第二定律也是有范围的？

huangzh198

晕，看不懂，可恶的广东高考，让我们学少了不少东西，热学我没学

dlq

3# 水哲学


有的，限于密闭孤立系统~~~

推荐小贝看下此文~~



发现我越来越无知了~~~

Marvin

想到了不少热学的东西！
谢了！

大科技_杨

还是不太懂，下楼问问他