開普勒三大定律范文第1篇
關鍵詞：力學定律;獨立性;一致性
力學是一門古老的學科，它的發展與人類生產實踐密切相關，雖然微觀客體遵從量子力學規律，描述物體高速運動則是用相對論力學，但是，對于日常生產和生活中的大多數力學現象，經典力學仍然是適用的。力學定律是構成力學體系的重要組成部分，它揭示了物體運動時的變化規律。研究和探討力學定律的內在關系，對我們學習力學和指導力學教學有著積極的意義。
1 牛頓三定律及其獨立性分析
1.1 牛頓第一定律的獨立性
牛頓第一定律的內容是：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。牛頓第一定律是牛頓第二定律的基礎，首先牛頓第一定律為牛頓第二定律準備了概念(力、慣性質量、慣性系)，并定性闡明力和運動的關系;其次牛頓第一定律主要說明物體不受外力作用時的運動狀態，不受外力作用和物體所受外力矢量和為零(合力為零)不是一碼事，不能把牛頓第一定律當成牛頓第二定律在F=0時的特殊情況，F=0肯定導出加速度a=0，但加速度等于零的運動是什么運動，牛頓第二定律不能回答，還是得由牛頓第一定律本身徹底闡明慣性運動(靜止或勻速直線運動)。
顯然，牛頓第一定律確實是完全獨立的基本定律，用其解決的問題，別的任何規律都無法解決，牛頓第二定律、牛頓第三定律根本不能取代牛頓第一定律。
1.2 牛頓第二定律的獨立性
牛頓第二定律的內容：物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質量成反比，且與物體質量的倒數成正比;加速度的方向跟作用力的方向相同。用公式表達是F=ma。牛頓第二定律定量闡明了力與運動的關系，具體說是力、慣性質量和加速度的定量關系。牛頓第二定律揭示了物體質量的慣性本質，質量是物體慣性大小的定量量度，物體的質量越大，物體的慣性就越大，物體的質量是維持物體慣性運動的根本原因;力是改變物體運動狀態的原因，即產生加速度的原因，力的作用產生加速度大小的難易程度取決于物體的慣性、質量。牛頓第二定律進一步表明：相同力作用于不同物體上，質量大的物體獲得的加速度小，質量小的物體獲得的加速大，即加速度大小與質量成反比;不同力作用于同一物體上，大力產生大的加速度，即加速度大小與外力成正比。牛頓第二定律同時給出了力的獨立作用原理(疊加原理)，即當存在多個力共同作用于同一物體時，物體獲得的加速度是每個力單獨作用時產生的加速度的矢量和，這為解決復雜力作用產生的運動效果提供了保障，能實現已知受力情況求解全部運動信息;反之，也可以由運動分析決定受力總效果，也即復雜運動可以分解簡單運動的矢量疊加?？傊?，牛頓第二定律引入慣性、質量和全面完整刻畫物體因受力作用而產生加速度中，加速度與外力及質量的定量關系F=ma，構成了牛頓第二定律獨立于其他兩條定律的深刻內涵和根本原因。
1.3 牛頓第三定律的獨立性
牛頓第三定律的內容：兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一直線上。公式表達式為F=-F'。牛頓第三定律研究的是物體之間相互作用制約聯系的機制，研究對象至少是兩個物體，兩個以上的物體之間的相互作用，總可以區分成若干兩兩相互作用的物體對，于是由僅關注單一物體(只研究一個物體)的牛頓第一定律和牛頓第二定律出發，結合牛頓第三定律擴展了研究對象，就自然而然地解決了全部不論多么復雜的系統的動力學問題了。牛頓第三定律確實是完全獨立的基本規律，它不能由牛頓第二定律推演得出，牛頓第二定律也代替不了牛頓第三定律，牛頓第一定律更不能取代牛頓第三定律。牛頓第三定律的正確性要靠大量實踐來檢驗，牛頓第三定律其實是用力的語言表達的動量守恒定律，而動量守恒定律是自然界中普遍成立的少量幾條基本物理規律之一，動量守恒定律在任何物理領域中均成立。
2 牛頓運動三定律內在一致性
牛頓運動三定律的內在一致性是指三定律不互相矛盾，均承前啟后，一條龍邏輯相容構成有機整體。具體表現為：
(1)牛頓運動三定律在研究對象上呈遞進關系。牛頓第一定律、牛頓第二定律只研究單一物體，可以只有一個物體，也可以是從眾多物體中隔離出一個物體來作為研究對象，它們要解決的是這么一個物體，不受力作用或受很多力作用后的運動問題——靜止或勻速直線運動，又或者獲得多大加速度;牛頓第三定律擴展了研究對象，它研究的至少是兩個以上的物體之間的相互作用，這種相互作用制約或影響了研究對象或研究對象以外的其他物體的運動?？梢娭挥邪雅ｎD第一定律、牛頓第二定律和牛頓第三定律有機結合才能順理成章地解決全部復雜的動力學問題。由質點的動力學出發去解決質點組的力學問題、剛體的力學問題、振動的波動的力學問題、流體的力學問題。
(2)牛頓運動三定律都只在牛頓第一定律確定的慣性參考系成立。牛頓絕對時空中的慣性系雖然存在邏輯循環或稱邏輯同一之難，但在動力學的力的語言表達中慣性系是理論體系必不可少的，確定了慣性參考系一切動力學問題迎刃而解了。此外，任何科學都不可能做到絕對真理，力學也是一門近似程度比較高的科學，不受力的物體不存在，絕對靜止的物體不存在，宇宙中的引力不可避免，都要說明絕對的慣性系不存在，但近似的慣性系是始終存在的。地球是近似慣性系，太陽是近似程度更高的慣性系。牛頓運動三定律只在慣性系中適用，說明了三定律的一致性。
牛頓運動三定律只適用范圍于實物物體、宏觀、低速運動范圍內，并且只能在慣性參考系中使用。非慣性系(加速系)中必須引入慣性力，才能使用牛頓定律，高速領域必須采用愛因斯坦相對論，微觀領域必須使用量子力學。
參考文獻
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開普勒三大定律范文第2篇
論文題目： 熱力學的第二定律的認識和思考
論文作者： 鐘家業
作者學號：
所在院系： 機電工程學院
專業班級：
指導老師：
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熱力學的第二定律的認識和思考
摘要
熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，是指熱永遠都只能由熱處轉到冷處(在自然狀態下)。它是關于在有限空間和時間內，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經驗總結。廣義生命演化意義上的熵，體現了生命系統衰落的過程。
關鍵詞 熱力學第二定律,第二類永動機，熵，時間，生活
1. 熱力學第二定律及發展
1.1、熱力學第二定律建立的歷史過程
19世紀初，人們對蒸汽機的理論研究還是非常缺乏的。熱力學第二定律就是在研究如何提高熱機效率問題的推動下，逐步被發現的，并用于解決與熱現象有關的過程進行方向的問題。1824年，法國陸軍工程師卡諾在他發表的論文“論火的動力”中提出了著名的“卡諾定理”，找到了提高熱機效率的根本途徑。從1840年到1847年間，在邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人的努力下，熱力學第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起來了。1848年，開爾文爵士(威廉·湯姆生)根據卡諾定理，建立了熱力學溫標(絕對溫標)。這些為熱力學第二定律的建立準備了條件。 1850年，克勞修斯從“熱動說”出發重新審查了卡諾的工作，考慮到熱傳導總是自發地將熱量從高溫物體傳給低溫物體這一事實，得出了熱力學第二定律的初次表述。后來歷經多次簡練和修改，逐漸演變為現行物理教科書中公認的“克勞修斯表述”。與此同時，開爾文也獨立地從卡諾的工作中得出了熱力學第二定律的另一種表述，后來演變為更精煉的現行物理教科書中公認的“開爾文表述”。上述對熱力學第二定律的兩種表述是等價的，由一種表述的正確性完全可以推導出另一種表述的正確性。他們都是指明了自然界宏觀過程的方向性，或不可逆性?？藙谛匏沟恼f法是從熱傳遞方向上說的，即熱量只能自發地從高溫物體傳向低溫物體，而不可能從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。利用致冷機就可以把熱量從低溫物體傳向高溫物體，但是外界必須做功。開爾文的說法則是從熱功轉化方面去說的。功完全轉化為熱，即機械能完全轉化為內能可以的，在水平地面上運動的木塊由于摩擦生熱而最終停不來就是一個例子。但反過來，從單一熱源吸取熱量完全轉化成有用功而不引起其他影響則是不可能的。[1] 1.2、熱力學第二定律的表述
1.2.1、 熱力學第二定律的開爾文表述
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熱力學的第二定律的認識和思考
不可能從單一熱源吸取熱量, 使之完全變為有用的功而不產生其他影響。這是按照機械能與內能轉化過程的方向性來表述的。表述中的“單一熱源”是指溫度均勻并且恒定不變的熱源。若熱源不是單一熱源，則工作物質就可以從熱源中溫度較高的一部分吸熱而向熱源中溫度較低的另一部分放熱, 這實際上相當于兩個熱源。“其他影響”是指除了單一熱源所吸收的熱用來作功以外的任何其他變化. 當有其他影響產生時 ,把由單一熱源吸來的熱量全部用來對外作功是可能的。開爾文表述還可表達為：第二種永動機是不可能造成的。所謂第二種永動機就是一種違反開爾文表述的機器,它能從單一熱源吸收熱量，使之完全變為有用的功而不產生其他影響, 但這種機器不違反能量轉化與守恒定律。如果這種熱機能夠制成,那么就可以利用空氣或海洋作為熱源，從它們那里不斷吸取熱量而做功。果真如此,令人頭痛的能源問題也就解決了,因為海洋的內能幾乎是取之不盡的。 1.2.2 熱力學第二定律的克勞修斯表述
不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。這是按照熱傳導的方
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熱力學的第二定律的認識和思考
向性表述的?？梢宰C明, 熱力學第二定律的開爾文表述和克勞修斯表述是等效的。熱力學第二定律是總結概括了大量事實而提出的,由熱力學第二定律作出的推論都與實驗結果符合，從而證明了這一定律的正確性。經驗告訴我們, 功可以完全轉變為熱,而熱力學第二定律指出,要把熱完全變為功而不產生其他影響則是不可能的。但這一結論由熱力學第一定律是得不到的，因為無論功變熱或熱變功都不違反熱力學第一定律。經驗還告訴我們 ,當兩個溫度不同的物體互相接觸時,熱量由高溫物體向低溫物體傳遞。但是熱力學第二定律的克勞修斯表述指出，熱量不可能自發地由低溫向高溫傳遞。而這一結論也是不能從熱力學第一定律得到的,因為這個過程也不違反熱力學第一定律。由此看出 ,熱力學第二定律是獨立于熱力學第一定律的新規律 ,是一個能夠反映過程進行方向的規律。熱力學第二定律說明物體的內能不能完全地(在不產生其他影響下)轉變為功，相反，功卻可以完全地轉變為物體的內能。因此，功轉化為內能的過程帶有單向性，是不可逆的。在自然界中存在著大量的不可逆現象，例如，熱量從高溫物體自發地傳向低溫物體 ,氣體自發地向真空膨脹, 兩種氣體自發混合( 互擴散) 等 . 顯然熱力學第二定律隱含地指出了其他不可逆過程的單向性。所以 ,熱力學第二定律是所有單向變化過程的一般規律。
下面我們從反面來說明這兩種說法的確是等價的：
①如果我們否定克勞修斯的說法，認為熱量可以自發地從低溫物體B傳向高溫物體A，見圖4-1(a)的示意圖，設這個熱量為Q，我們再設想有一個卡諾熱機，從高溫熱源A吸取熱量Q，一部分轉化為有用功W，另一部分Q′傳給了低溫熱源B，這樣的整個過程中，高溫熱源A沒有發生變化，相當于只從低溫熱源B吸收了(Q-Q′)的熱量而全部轉化為有用功，而不產生其他影響，從而開爾文的說法也就被否定了。
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熱力學的第二定律的認識和思考
②反過來，如果我們否定了開爾文的說法，認為可以從單一熱源A吸取熱量，全部轉化為有用功而不產生其他影響，見圖4-1(b)的示意圖，設這部分熱量為Q1，做的有用功為W1(Q1-W1)，我們再設想這部分有用功是帶動一個理想的致冷機工作，它從另一個低溫熱源B處吸收熱量Q2，向熱源A放出熱量Q1′，則滿足Q1′=Q2+W1，而Q1=W1，所以Q1′=Q2+Q1。這樣，總的效果相當于從低溫熱源B處吸收了熱量Q。，向高溫熱源A放出的熱量Q1′，在補償了Q1以后，正好也是Q2，這就等于熱量Q。自發地從低溫熱源B傳向了高溫熱源地并沒有發生其他變化，這就否定了克勞修斯的說法。
1.2.3 熱力學第二定律的普遍表述
1865年，克勞修斯引進“熵”的概念來反映這種運動變化的過程和方向, 從而可以從數學上嚴格地表述熱力學第二定律。“熵”一詞來源于希臘語 entropia, 原意是轉換 ,中文意思是熱量被絕對溫度除所得的商?？藙谛匏怪赋?在一個孤立系統(或叫封閉系統)內, 熵的變化總是大于或等于零, 也就是說，孤立系統的運動變化總是要沿著使熵增大的方向進行, 最后的平衡狀態則對應于熵的最大可能值。于是熱力學第二定律的最普遍表述為：可以找到這樣一個態函數——熵 ,它在可逆過程中的變化等于系統所吸收的熱量與熱源的絕對溫度之比;在不可逆過程中, 這個比值小于熵的變化。即對于無窮小的過程 ,有
(1)
結合熱力學第一定律得
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熱力學的第二定律的認識和思考
( 2) 在( 2) 式中 , 等號對應于可逆過程, 不等號對應于不可逆過程。這個式子是熱力學理論的基本方程。假設過程是絕熱的, 即 dQ=0,則由( 1) 式得到
( 3) 由此可見, 在絕熱過程中, 系統的熵永不減少。對于可逆絕熱過程, 系統的熵不變; 對于不可逆絕熱過程,系統的熵總是增加,這個結論叫做熵增加原理。根據熵增加原理 ,任何自發的不可逆過程 ,只能向熵增加的方向進行，于是熵函數給予了判斷不可逆方向的共同準則. 既然從非平衡態到平衡態的過程中，熵總是增加，那么系統越接近平衡態，其熵值就越大，所以熵的數值就表征系統接近穩定平衡態的程度。
1.3、熱力學第二定律的適用范圍
1.3.1 經典熱力學第二定律及其適用范圍
熱力學第二定律是十九世紀中葉由W·湯坶孫(開爾文爵士)和克勞修斯在研究卡諾的熱機理論和熱功轉換問題時提出來的。他們分別提出了自己的表述，并證明了這兩種表述是等價的。后來，普朗克等人還提出了一些表述，同樣也進行了等價性證明。熱力學第二定律的這種表述的多樣性與物理學的有些定律不一樣。它是以一個實際過程的不可逆性來表述一個普遍的自然規律。即自然界的一切實際過程自發進行都沿一定的方向(具有單向性)?；蛘哒f一切實際過程都具有不可逆性。
兩種經典表述都提到的“不產生其它影響”的條件及前面所說的“自發進行”意瞇著：所研究的實際過程是在孤立系中進行的，孤立系中這些過程具有單向性?？藙谛匏菇涍^十多年的努力，終于找到了熱力學第二定律的數學表述，這就是著名的熵增原理 ：孤立系的熵永不減少。(若Q=0，剛△s≥0 ) 由于孤立系的熵只能增加，即系統只能沿退化的方向進行。這與自然界和人類社會的實
際演化過程相矛盾。因而熱力學第二定律自然不適用于生命現象和社會現象這樣一些不斷進化的領域 。
克勞修斯等人將熱力學第二定律外推到宇宙，得出了 “宇宙的熵趨于一個極大值”的命題。這就是著名的“熱寂說”，即全宇宙最終將達到熱平衡。長期以來，人們一直認為字宙是靜態的，在時間上無始無終，似乎早該處于熱寂了。而實際情況正好相反。這自然遭到了當時許多著名的科學家和哲學家的批判。其中一個重要的論點
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熱力學的第二定律的認識和思考
是：熱力學第二定律是在有限的宏現系統中得出的規律，不能外推到無限宇宙。因而，長期以來都認為熱力學第二定律不適用于宇觀系統。這一論點現在還在大多數教科書與文獻中出現。
1.3.2 “宇宙膨脹”模型與“熱寂”佯謬的消除
“ 熱寂說 ”以及對它的批判，都是建立在當時人們對宇宙的認識基礎上的。對它的批判總使人感到說服力不強。例如有限條件下得到的結論，就同樣有外推成功的先例。熱力學第一定律的外推，得出的宇宙的能量守恒就被認為是正確的。上世紀二十年代，以美國天文學家哈勃觀察到的星系紅移現象為基礎而建立起來的大爆炸宇宙學使我們認識到，我們所能觀察到的宇宙并不是靜態的，而是在不斷膨脹。在此基礎上，七十年代以后，人們又重新對熱寂說進行了考察，發現隨著宇宙的膨脹，由于粒子與輻射的溫度隨膨脹的線度的變化規律不同，即使宇宙最初處于溫度均勻的熱平衡狀態，也會隨著膨脹而出現溫差，從無序向有序變化，而不會熱寂。另一方面，如果宇宙是靜態的，則對每一個靜態體系總有一個最大熵。而對膨脹的宇宙 ，每一瞬時對可能達到的最大熵也是不斷增加的。只要膨脹得足夠快，宇宙實際的熵與最大熵的差異就會越來越大，宇宙離熱寂也會越來越遠。而不管宇宙是否是有限的和孤立的。這樣 “熱寂佯謬”就以這出入意料的方式迎刃而解了。人們這才發現，“熱寂說”的問題是出在人類對宇宙的認識上，而不是出在熱力學第二定律的外推上。這樣一來，熱力學第二定律不適用于宇觀系統的限制也就自然解除了。1972年霍金證明黑洞過程的不可逆性和貝肯斯坦引入黑洞熵， 建立黑洞熱力學，正是熱力學第二定律在宇觀系統成功運用的范例。 1.3.3 微觀系統同樣存在不可逆性
如前所述，我們知道熱力學第二定律是研究不可逆這一自然現象的科學規律。經典熱力學研究的是固體、液體、氣體等由大量微觀獨子(原子、分子、離子) 組成的宏觀系統的性質及其變化規律的學問。而不可逆性正是這些系統的共性，是大量粒子的集體行為。但是，自然界是分層次的，宏觀和微觀也是相對的。在每一個層次上的系統都可以認為是由下一個層次的大量子系統所組成。因而不可逆性不應該只存在于某一個特殊的層次中。例如，一個生物群體可以看成是由大量的生物個體組成的系統，一個生物個體也可以看成是由大量的細胞組成的系統，而細胞同樣可以看成是由大量的生物分子所組成的系統。在這些不同的層次上，不可逆性都同樣存在細胞的不斷老化;個體的生老病死;群體的演化發展?，F在我們都可以用由熱二律發展起來的耗散
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熱力學的第二定律的認識和思考
結構理論來對它們進行研究。同樣，我們知道：原子、分子等微觀粒子也存在著內部的層次和結構。而且我們還知道許多原子存在著放射性衰變現象。1968年美國的菲奇和克羅寧在K介子衰變實驗中也發現了時間對稱性的破壞。 大統一理論還預言，像質子這樣的基本粒子也可能是不穩定的，只不過其衰變周期非常長而已。這些都表明：不可逆性同樣也存在于微觀領域。所以，筆者認為，熱力學第二定律既然是用來描寫不可逆性這一廣泛存在的自然現象的統一規律，就應該可以用來研究微觀領域的不可逆性。當然，將熱力學第二定律向微觀領域的拓展還有待人們的進一步努力。
2熱力學第二定律的一些應用
2.1 對時間的理解
我們知道, 熱力學第二定律是所有單向變化過程的一般規律,而時間的變化是一個單向的不可逆過程，因此可以說：時間的方向，就是熵增加的方向。這樣，熱力學第二定律就給出了時間箭頭。進一步研究表明，能量守恒與時間的均勻性有關，這就是說，熱力學第一定律告訴我們，時間是均勻流逝的。這兩條定律合在一起告訴我們：時間在向著特定的方向均勻地流逝著。
2.2黑洞熱輻射的發現
1972年，英國物理學家霍金( S. Hawking ,1942-) ，提出了黑洞的“面積定理”。證明了黑洞的面積隨時間的變化只能增加，不能減少，即δA≥0(式中A為黑洞面積)。這不由使人想起熱力學中的“熵”。但黑洞面積與熵是風馬牛不相及的兩個概念, 把它們聯系起來是不是太荒唐了呢?幾乎與此同時, 物理學家貝根斯坦和斯馬爾 ,各自獨立地得出了關于黑洞的一個重要公式。即
式中 M 、J 、Q 分別是黑洞的總質量、總角動量 、總電荷; A 、Ψ、V 分別是黑洞的表面積、轉動角速度和表面上的靜電勢，k稱為黑洞的表面重力加速度。此式與熱
力學第一定律表達式
非常相似。式中U、T、S分別是系統的內能、溫度和熵 ; Ω、J 、V、Q 等物理意義與前式類似。不難看出, 黑洞面積A確實像熵S ,而黑洞的表面重力加速度k非常像溫度T。難道黑洞真的有溫度
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熱力學的第二定律的認識和思考
嗎?為此人們進行了熱烈的爭論。1973年霍金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞專家聯名發表了一篇論文 ,聲稱：可以模仿熱力學定律給出黑洞力學的定律，但黑洞的溫度不能看作真實溫度，因為黑洞沒有輻射(不可能有任何物質跑出黑洞!)。但是,幾個月后霍金就宣稱 ,他已證明 ,黑洞有熱輻射 ,黑洞的溫度是真實的, 其值為
式中 kB是玻爾茲曼常數。對于一個 M =M s(太陽質量)的黑洞, T = 6×10 -8 K ,可以忽略不計;而對于一個質量為 10億噸的小黑洞, 溫度可達 10 12 K。黑洞熱輻射的發現 ,是黑洞研究的重大突破，也是時空理論的重大突破。
2. 3 耗散結構理論的形成
比利時著名物理學家普利高津( I . Prigogine , 1917- )認為熱力學第二定律是自然界的一條基本規律。他在不違背熱力學第二定律的條件下, 找到了開放系統由無序狀態變為新的有序狀態的途徑。他指出 ,開放系統的熵變為dS =dS i + dSe ,其中 dSi為熵產生，由系統內部不可逆過程產生;dSe為熵流, 由系統與外界交換能量或物質所引起。熵產生dSi永遠不可能為負值 ,而熵流dSe則可正可負還可為零。由于外界有負熵流入，系統的總熵可以保持不變乃至減小, 系統保持穩定或者達到有序,形成“耗散結構”。他認為，宇宙是一個無限發展的開放系統, 自然界不會變得越來越無序, 而會變得越來越豐富多采 ,會形成各種新的有序結構, 宇宙不可能處于“熱寂”。從目前天文觀測的事實來看, 宇宙確實不是向著熱寂發展, 而是離開熱平衡態越來越遠。
3 熱力學第二定律的統計意義[3] 3.1 系統的宏觀態與微觀態
宏觀態---熱力學狀態
宏觀: 微觀粒子不可分辨,以分子數目來區分狀態 .微觀態---大量分子系統的力學運動狀態(ri,vi)
微觀: 可區分具體的分子.
?宏觀態與微觀態是系統同一狀態的兩種描述方法
. ?宏觀概率/熱力學概率Ω: 每一宏觀態所包含的可實現的微觀態的數目
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熱力學的第二定律的認識和思考
例: abcd四個分子在容器的分布
3.2自由膨脹
(N: 總分子數) N=1:
退回到左邊的概率是1/2
N=2: a,b 兩個分子
退回到左邊的概率是1/4
N=3: a,b,c三個分子
退回到左邊的概率是1/8
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熱力學的第二定律的認識和思考
N=4: a,b,c,d 四個分子
退回到左邊的概率是1/16
N ~NA=6.02×1023 ,退回到左邊的概率是 概率太小, 不可能實現. 微觀狀態: 按具體分子來分 宏觀狀態: 按分子個數來分
微觀狀態數: 16 宏觀狀態數: 5 ? 隨著分子數N的增加,分子在A、B兩室平均分配的宏觀狀態所包含的微觀狀態數目越來越多
? 當N ~NA=6.02×1023時,分子在AB兩室平均分配的宏觀狀態所包含的
微觀狀態數目/總的微觀狀態數目~100% [2]
3.3 熱力學第二定律的統計表述
自由膨脹的方向: 概率小的宏觀狀態 →概率大的宏觀狀態
包含微觀狀態數目少的宏觀狀態→包含微觀狀態數目多的宏觀狀態
熱力學第二定律的統計意義: 一個不受外界影響的封閉系統, 其內部發生的過程總是由概率小的宏觀狀態向概率大的宏觀狀態進行, 由包含微觀狀態數目少的宏觀狀態向包含微觀狀態數目多的宏觀狀態進行
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熱力學的第二定律的認識和思考
. 熱功轉換：
功 → 熱
分子有規則定向運動 → 分子無規則運動
適用范圍 :
(1) 只適用于包含有大量分子的熱力學系統, 對少量分子組成的系統是不適用的.
(2) 只適用于有限空間的封閉系統. 3.4熵與宏觀概率Ω------ 玻耳茲曼公式
S=klnΩ
其中 k---玻耳茲曼常數 Ω---宏觀狀態所包含的微觀狀態數目 例.1mol理想氣體自由膨脹的熵變
.
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熱力學的第二定律的認識和思考
推導: 熱力學角度: 非平衡態→平衡態
S小 → S大
統計角度: 概率Ω小→概率Ω大 S = f(Ω) S=S1+S2=f(Ω1)+ f(Ω2) S = f(Ω)= f(Ω1·Ω2) ∴f(Ω1·Ω2)=f(Ω1)+ f(Ω2) 數學上可以推出: S = f(Ω)∝lnΩ
S = klnΩ
3.5 與無序度的關系
無序度---混亂程度
無序度低 (有序度高), 則概率小→S 小 無序度高 (有序度低), 則概率大→S 大 自然過程：概率小→概率大 S小 → S大
例：
有規則定向運動 → 無規則運動
3.6 熵函數的微觀意義(與熵增原理的關系) [4]
(1) 熵與宏觀狀態所包含的微觀狀態數目相聯系
(2) 熵是(宏觀態所對應的大量微觀粒子熱運動所引起的)無序程度的定量量度. (3) 熵增的方向即向微觀狀態數多的宏觀狀態轉變的方向, 使系統更混亂, 更無序
4 熱力學第二定律的思考
4.1熱力學第二定律與時間反演性
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熱力學的第二定律的認識和思考
時間T到-T的變換叫做時間反演，這相當于時間倒流，在力學中保守系具有時間反演性，而“耗散系”不具有時間反演性。“耗散”是 一個宏觀的概念，幾乎所有的微觀過程都是可逆的，而從微觀過度到宏觀過程就可能變為不可逆的過程。在“耗散”系中能量的轉變設計熱力學過程，相當于從宏觀看來具有整體的能量轉化為雜亂無章的分子熱運動動能和分子勢能。而在“保守系”中能量沒有轉化為雜亂無章的熱運動動能和勢能，只在動能和勢能之間轉化。
4.2理解時間的流逝
熱力學第二定律是自然界所有單方向變化過程的共同規律，而時間的變化就是一個單向的不可逆的過程，因此可以這樣假設：時間的運動方向，就是熵增加的方向。由此，熱力學第二定律就給出了一個時間箭頭，通過進一步研究表明，能量守恒與時間的均勻性有關，即熱力學第一定律告訴我們，時間是均勻流逝的。這兩條定律合在一起就是：時間在向著特定的方向均勻地流逝著。
4.3 在信息熵中的應用
人類在長期的電訊通信實踐中，不斷在力圖提高通信的有效性和可靠性。提高有效性就是盡可能用最窄的頻帶，盡可能快和盡可能降低能耗，即提高通信的經濟性;高可靠性，就是要力圖消除或減少噪音，以提高通信的質量。隨著電子通信發展到一定階段后，人們在實踐中發現，在一定的條件下，要同時實現上述這兩個要求，會遇到不可克服的困難：要減少噪音的干擾，信息傳輸速率就得降低;反之，提高了傳輸速率就不能有效地避免噪擾，在一定的具體的客觀條件下，想要同時提高電訊通信的效率和可靠性的企圖總是失敗的。于是有人想到在限定的條件下同時提高通信的效率和可靠性的要求可能存在一種理論上的界限。1948年，美國貝爾電訊實驗所的工程師申農提出了了一個數學模型，對于信息的產生和傳輸這些概念從量的方面給以定義，提出了信道和信息量等概念，利用熵的形成導入了信道容量這一新的重要概念，并且確定了信號頻帶寬度、超擾值和信道傳輸率三者之間的一般關系。從而，我們可以用信息熵來描述信道上傳輸信息的容量。這就是熱力學第二定律在信息傳輸技術中的一些應用。[2] [5] 4.4 與生命活動的聯系
在生命自然演化的意義上，熵概念的本質是生命系統(機體)創造機能下降，熵增的過程是生命系統自衰落至死亡的老化過程。如果我們以單一的生命體作為一個
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熱力學的第二定律的認識和思考
系統，那它是一個開放系統，與環境既有物質交換，也有能量的流通;基于此，而生命體可以進行眾多的生命活動，而這又是為了攝取“負熵”——或者認為是通過外界的能量來減少生命體本身的熵，就如同一個熱機與另外的熱庫進行熱交換使這個系統恢復到原始狀態。如果這么看似乎無法滿足熵增原理中條件“孤立系統”，但是，每個生命體都必須維持自己生命活動的穩定性狀態，也就是生命學中的“穩態”，而這個狀態則必然與整個環境相不同，因此當我們粗略的看待一個生態系統時，可以將這個生命體當作“孤立系統中的一份子”。
從物質能量流動的角度講，生命過程是一個物質能量的傳輸和集中過程，物質能量的集中就是生物的生長。當生物不再生長時，生物的生存過程就是純粹的物質能量傳輸過程。從熱力學的角度講，生命過程可以認為是一個符合熱力學第二定律的區域性的自發的熵減過程，在包括生命體及其生存環境的總系統中，熵是增加的。熵減過程就是生物的生長過程。當熵減過程結束后，維持已有的負熵值的過程就是生物的生存過程。為了生產負熵，更為了維持已有的負熵值，系統必須始終存在一個熵增的物質能量傳輸過程。新陳代謝過程中，除了包含有一個熵減的物質能量集中過程外，還包含了一個使生物生長不違反第二定律的熵增的物質能量的傳輸過程。顯然，只有當生命系統是一個與外界有物質和能量交換的開放系統時，符合第二定律的熵減過程才有可能發生。下面我們簡單地通過生命體生存發展的幾個過程加以闡述：
(一)生 從一個受精卵開始，生命體擁有了一個屬于自己的系統，這個系統獨立于所生活的自然，而生命的一個必然進程就是“抵抗熵增”——為了避免死亡而攝取“負熵”。
(二)老 薛定諤在他著名的《生命是什么》一書中，認為生命體是“以負熵為生的”。生命體為了維持它的有序結構，必須“吃進負熵”，耗散結構理論的創始人普里高津也認為，系統的熵由系統自身不斷產生的正熵和外界流入系統的熵兩部分組成。因此，要維持一個有序的、具有負熵值的系統，則必須由外界不斷的向系統輸入負熵。正是指這個道理，衰老是一個長期的持續性的過程，為了對抗這個過程，吸取負熵是其途徑，不同的生命體吸取負熵的方法不同，對于綠色植物則通過光合作用來減少自身的熵，而對于動物(當然包括人類)來說，食物就是負熵，這就是我們需要不斷進食的原因所在。之所以食物是負熵，其實更準確的說法是將食物中的能量用于減少生命體自身的熵，類似于一個熱機與另外的熱庫進行熱交換使這個系統恢復到原始狀態這個過程。實際上，進食攝取能量進而回歸機體穩態就是生命的主要意義。 但
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熱力學的第二定律的認識和思考
是攝入負熵的能力會隨著時間而減弱，當人類攝入的負熵少到體內的平衡受到破壞時，體內的熵達到了一個限度時人的生命也就要終結了。而這之前“攝入負熵能力下降”的過程就是衰老。
(三)死 生命的結局是什么?對于這個問題，很簡單，就是死亡，也可說是同化，塵歸塵，土歸土，將生命中的物質，能量回歸系統，與系統同化，而物理學中指出，這種想對于獨立的混合具有更大的混亂度，其所擁有的熵也是最大的，這是整個系統遵循熱力學第二定律的必然結果，所以“死亡”、“同化”、“熵增”是必須的，不可違抗的，生命的活動是一個不可逆的過程，因為這個系統必須遵循熱力學中熵增的規律。
5 總結
我們把自然生命系統和工程熱力系統演化的熵稱為“機體熵”或“機能熵”，也可以稱為“系統熵”。這是真正意義上的熵，具有廣義生命演化意義上的熵，體現了生命系統衰落的過程。通過上述的討論，我們已經感覺到，生命現象的物理學解釋，或者更具體的講，生命現象的熱力學解釋，生命現象的物質能量流動解釋，已使我們可以在一定程度上理解和把握生命的本質，顯然，上述的關于生命現象的物理解釋，才僅僅是一個開端，許多問題還沒有說明，本文試圖從物理學的角度、從物質能量流動的角度對生命現象給出一些解釋。但就我目前所掌握的物理學方面的知識而言，還無法就上述所有問題給出明確的解釋。因此，本文只能給出一些粗淺的解釋，但也是基本的解釋，我想，熱力學第二定律的意義已經遠遠超出了熱力學的范圍，用熱力學第二定律解釋生命活動的本質則是一個非常有趣的過程，不僅加深了對這條定律的理解，同時也讓人看到了科學的美。如果能沿著這樣一個思路深入挖掘，必將會對生命體生存發展有更深入的理解，這一議題對于人類社會的發展也將產生非常重要的影響。
參考文獻：
1、《物理學史》. 郭奕玲, 沈慧君. 北京: 清華大學出版社, 1993.
2、《改變世界的物理學》. 倪光炯等著. 上海: 復旦大學出版社, 1999
3、《熱力學與統計物理學》，龔昌德編，高等教育出版社，1984年版。
4、《熱學》李椿、章立源、錢尚武編，人民教育出版社，1982年版。
5、《現代物理知識》，2001年第3期。
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讀書的好處
1、行萬里路，讀萬卷書。
2、書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟。
3、讀書破萬卷，下筆如有神。
4、我所學到的任何有價值的知識都是由自學中得來的。——達爾文
5、少壯不努力，老大徒悲傷。
6、黑發不知勤學早，白首方悔讀書遲。——顏真卿
7、寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。
8、讀書要三到：心到、眼到、口到
9、玉不琢、不成器，人不學、不知義。
10、一日無書，百事荒廢。——陳壽
11、書是人類進步的階梯。
12、一日不讀口生，一日不寫手生。
13、我撲在書上，就像饑餓的人撲在面包上。——高爾基
14、書到用時方恨少、事非經過不知難。——陸游
15、讀一本好書，就如同和一個高尚的人在交談——歌德
16、讀一切好書，就是和許多高尚的人談話。——笛卡兒
17、學習永遠不晚。——高爾基
18、少而好學，如日出之陽;壯而好學，如日中之光;志而好學，如炳燭之光。——劉向
19、學而不思則惘，思而不學則殆。——孔子
開普勒三大定律范文第3篇
一、牛頓三大定律之間存在的相互獨立性
牛頓三大定律都是對力學知識的概括與總結, 但是三者之間也具有明確的分界線, 存在相互之間的獨立性。且其主要表現在, 牛頓第一定律主要是就不存在外力作用的物體運動狀態進行描述, 即對理想狀態的描述, 其不具備實際應用作用, 但是能就力學實驗進行指導。同時, 該定律就力與物體運動之間的關系進行了闡述, 明確了力對物理運動狀態的影響, 同時也揭示了加速度的形成原因?？傮w來說, 該定律主要是就力的概念進行了闡述, 是力學研究工作開展的重要基礎。
牛頓第二定律是在牛頓第一定律作為基礎的條件下進一步推導出的, 其主要是根據物體運動慣性、運動加速度等概念來就力和運動的定量關系展開闡述。并且, 在該定律當中還就物體產生慣性的原因以及慣性大小差異的原因進行了闡述, 并以此為基礎建立了物理慣性運動模型。牛頓第二定律對于之后實現力學的研究深入提供了重要的基礎。[1]
牛頓第三定律的討論也是在牛頓第一與第二定律的基礎上展開的深入研究, 主要是針對物體之間的相互作用來展開分析的。在該定律的概念當中, 作用力和反作用力之間是存在相對關系的, 是對立存在的, 其主要是指當存在作用力的情況下就勢必會存在相對應的反作用力。并且作用力與反作用力本身的性質相同, 具有瞬時性的特征。但是學生在探究這兩種概念時, 不能將作用力與反作用力之間的關系表示為F+F’=0, 這主要是由于存在相對關系的作用力與反作用力其實作用的物體是不同的。因此, 這兩種力是不能用來相互抵消的。以上即為牛頓三大定律之間存在的相互獨立性的表達, 學生在實際學習過程中應當切實明確其存在的差異, 并能區分性的進行相關定律的應用。
二、牛頓三大定律之間存在的密切聯系
牛頓三大定律本身是存在著各自獨特的特征的, 但是從本質關系層面進行考慮, 三大定律的邏輯性相同, 都是屬于力學知識體系中的重要理論部分。而從細化的角度分析牛頓三大定律之間存在的密切聯系, 又可將其表述為以下幾方面。首先, 牛頓第一、第二以及第三定律之間具有一定的遞進性意義, 而該遞進性并不僅僅體現在力學研究工作的深入程度方面, 其還表現在研究對象上的層層深入。牛頓第一定律主要是就理想層面的產物進行力學思考, 但是其并不能構成單獨的實驗?？善鋮s為之后開展牛頓第二定律與第三定律提供了重要的思想與研究指導, 且主要表現在牛頓第二定律已經開始對現實存在的事物的力學關系進行討論了, 并分析和闡述了物理在受力之后發生的運動狀態與相關問題。另外, 第三定律則是在第一與第二定律的基礎上實現的擴充性研究, 相比第二定律僅僅研究單個物體而言, 其已經實現了研究對象數量到達2個甚至更多的轉變。同時還深入的就物體相互作用進行了闡述與總結, 這能為之后的運動研究創造更多的支持。[2]
另一方面, 牛頓第三定律屬于整體性的理論研究, 是力學方面的基礎性理論, 涵蓋了第一與第二定律中的理論概念。就第三定律進行整合分析之后可以看出, 牛頓第一定律本身是就力的概念以及屬性展開探討, 初步的解析了力與物體運動之間的關系, 是開展之后的力學研究工作的重要基礎。而第二定律遵循第一定律所提出的理論指導, 在完善第一定律的同時, 將定律應用到了實際問題思考當中, 實現了力學理論的實踐落實。而第三定律的研究更是就以上定律進行了深入的探究, 將研究重點放在了生活中較為復雜的力與運動的問題研究中, 能就實際遇到的力學的問題進行解決。而在力學的不斷發展下, 建立在牛頓三大定律之上的力學概念包括動量定理、動量守恒定律等。
三、結束語
學生在進行力學課程學習的過程中, 應當將重點放在牛頓三大定律方面, 這是相關力學知識展開與運用的重要基礎性內容。首先, 學生應當明確牛頓三大定律之間的差異, 這樣才能在實際問題解決時正確的選擇相應的牛頓定律進行問題求解。其次, 學生還應當明確牛頓三大定律之間存在的層層遞進的密切聯系, 以此方便在實際問題解決中實現相關定律的組合應用, 幫助學生找到問題解決的突破口。
摘要：在高中物理課程當中, 牛頓三大定律是十分重要的課程內容, 是該階段的力學研究中的基礎理論, 在綜合性力學問題求證中的應用價值較高。但是學生在進行相關知識學習時, 往往難以就該三大定律進行明確分辨, 更難提應用。本文簡要就牛頓三大定律之間的相互獨立性進行分析, 同時探究了三大定律之間存在的密切關系, 以期為廣大高中學生正確分辨與應用牛頓三大定律提升參考。
關鍵詞：牛頓三大定律,獨立性,聯系
參考文獻
[1] 徐振杰.牛頓三大定律的關系研究[J].科技展望, 2016, 33:267.