《辽宁省大连经济技术开发区得胜高级中学人教高中物理选修3-3课件：10.5热力学第二定律的微观解释 .ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《辽宁省大连经济技术开发区得胜高级中学人教高中物理选修3-3课件：10.5热力学第二定律的微观解释 .ppt（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、导 入 新 课 热传导 以温 度作为标准 热量 总是从高温物体传 向低温物体 直到 温度相等为止 气体扩散以密 度作为标准 从密 度大地方向密度小 的地方扩散 直到 密度相同时为止 想一想 既然各种不可逆过程是相互 关联的 相互一致的 那么能不 能找出一个物理量来作为共同标 准 来判断任按统计规律任何不 可逆过程的方向与限度呢 而宏 观表现总是源于微观统计规律 所以可以从微观来寻找答案 第五节 热力学第二定律的微观解释 教 学 目 标 知识与能力 1 了解有序和无序 宏观态和微观态 的概念 2 了解热力学第二定律的微观意义 3 了解熵的概念 知道熵是反映系统 无序程度的物理量 4 知道随着条件
2、的变化 熵是变化的 过程与方法 1 学会通过现象总结规律的科学方法 2 知道熵的概念 知道任何自然过程中 一个孤立系统的总熵不会减少 情感与价值观 有参与实验总结规律的热情 从而能更方便 的解决实际问题 再次体会学以致用 结合身边的例子发现生 活中的物理知识 重点 难点 1 有序和无序 宏观态和微观态的概 念 2 热力学第二定律的微观意义 3 熵的概念 知道熵是反映系统无序 程度的物理量 内 容 解 析 有序和无序 有序 只要确定了某种规则 符合这个 规则的就叫做有序 无序 不符合某种确定规则的称为无序 无序意味着各处都一样 平均 没有差 别 有序则相反 有序和无序是相对的 学员休息时杂乱无章
3、 集合哨一响 队 员迅速归队 队伍整齐划一 宏观态与微观态 宏观态 符合某种规定 规则的状态 叫做热 力学系统的宏观态 微观态 在宏观状态下 符合另外的规定 规 则的状态叫做这个宏观态的微观态 系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏 观态无序程度的大小 如果一个 宏观态 对 应的 微观态 比较多 就说这个 宏观态 是比较无序的 同时也决定了宏观过程的方向 性 从有序到无序 热力学第二定律的微观意义 下面从统计观点探讨过程的不可逆性 微观意义 并由此深入认识第二定律的本 质 一个被隔板分为A B相等两部分的 容器 装有4个涂以不同颜色分子 开始 时 4个分子都在A部 抽出隔板后分子 将向B部扩
4、散并在整个容器内无规则运动 隔板被抽出后 4分子在容器中可能的 分布情形如下图所示 不可逆过程的统计性质 以气体自 由膨胀为例 分布 宏观态 详细分布 微观态 1 4 6 4 1 微观态共有24 16种可能的方式 而且4个分 子全部退回到A部的可能性即几率为1 24 1 16 一般来说 若有N个分子 则共2N种可能方式 而N个分子全部退回到A部的几率1 2N 对于真实理想 气体系统N 1023 mol 这些分子全部退回到A部的几 率为 此数值极小 意味着此事件永远不会发生 从任何实际操作的意义上说 不可能发生此类事件 对单个分子或少量分子来说 它们扩散到B 部的过程原则上是可逆的 对大量分子组
5、成的宏观系统来说 它们向B 部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的 这就 是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释 第二定律的统计表述 依然看前例 分布 宏观态 详细分布 微观态 上边一列的各种分布仅指出A B两边各有 几个分子 代表的是系统可能的宏观态 中间各 列是详细的分布 具体指明了这个或那个分子各 处于A或B哪一边 代表的是系统的任意一个微 观态 4个分子在容器中的分布对应5种宏观态 对应若干种一种宏观态微观态 不同的宏观态 对应的微观态数不同 均匀分布对应的微观态数最多 全部退回A边仅对应一种微观态 统计物理基本假定 等几率原理 对于孤立系 各种微观态出现的可能性 或几率 是相等的 各种
6、宏观态不是等几率的 那种宏观态包 含的微观态数多 这种宏观态出现的可能性就 大 定义热力学几率 与同一宏观态相应的微观 态数称为热力学几率 记为 在上例中 均匀分布这种宏观态 相应的微观 态最多 热力学几率最大 实际观测到的可能性或 几率最大 对于1023个分子组成的宏观系统来说 均匀分 布这种宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的 热力学几率的总和相比 此比值几乎或实际上为 100 平衡态相应于一定宏观条件下 最大的状 态 热力学第二定律的统计表述 孤立系统内 部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观 态向包含微观态数多的宏观态过渡 从热力学 几率小的状态向热力学几率大的状态过渡 自然过程总
7、是向着使系统热力学几率增大 的方向进行 注意 微观状态数最大的平衡态状态是最 混乱 最无序的状态 一切自然过程总是沿着无序性增大的 方向进行 热力学第二定律的适用范围 1 适用于宏观过程对微观过程不适用 如布朗运动 2 孤立系统有限范围 对整个宇宙不适用 熵 熵指的是体系的混乱的程度 它在控制论 概率论 数论 天体物理 生命科学等领域 都有重要应用 在不同的学科中也有引申出的 更为具体的定义 是各领域十分重要的参量 熵由鲁道夫 克劳修斯 Rudolf Clausius 提出 并应用在热力学中 后来在 克劳德 艾尔 伍德 香农 Claude Elwood Shannon 第一次 将熵的概念引入到
8、信息论中来 热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的 规律 有下述表述方式 在孤立系统中 实际发生的 过程总使整个系统的熵值增大 此即熵增原理 摩擦 使一部分机械能不可逆地转变为热 使熵增加 热量 dQ由高温 T1 物体传至低温 T2 物体 高温物体的熵 减少dS1 dQ T1 低温物体的熵增加dS2 dQ T2 把 两个物体合起来当成一个系统来看 熵的变化是dS dS2 dS1 0 即熵是增加的 物理学家玻尔兹曼将熵定义为一种特 殊状态的概率 原子聚集方式的数量 可 精确表示为 S KlogW K是比例常数 现在称为玻尔兹曼常数 熵和系统内能一样都是一个状态函数 仅由系 统的状态决定 从分
9、子运动论的观点来看 熵是分 子热运动无序 混乱 程度的定量量度 一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的 在 自然过程中 系统的熵是增加的 在绝热过程或孤立系统中 熵是增加的 叫做熵增 加原理 对于其它情况 系统的熵可能增加 也可 能减小 从微观的角度看 热力学第二定律是一个统计规律 一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发 展 而熵值较大代表着较为无序 所以自发的宏观 过程总是向无序程度更大的方向发展 了解 绝对零度 绝对零度是根据理想气体所遵 循的规律 用外推的方法得到的 用这样的方 法 当温度降低到 273 15 时 气体的体积将 减小到零 如果从分子运动论的观点出发 理 想气体分子的
10、平均平动动能由温度T确定 那么 也可以把绝对零度说成是 理想气体分子停止运 动时的温度 以上两种说法都只是一种理想的 推理 课 堂 小 结 1 有序和无序 宏观态和微观态 一切自然过程总是沿着分子热运动的 无序性增大的方向进行 系统的宏观态所对应的微观态的多少表 现为宏观态无序程度的大小 如果一个 宏 观态 对应的 微观态 比较多 就说这个 宏观态 是比较无序的 同时也决定了宏 观过程的方向性 从有序到无序 2 熵的概念 3 热力学第二定律的微观解释 一个孤立系统总是从熵小的状态向熵 大的状态发展 而熵值较大代表着较为无 序 所以自发的宏观过程总是向无序程度 更大的方向发展 课 堂 练 习 1 一个物体在粗糙的平面上滑动 最后 停止 系统的熵如何变化 解析 因为物体由于受到摩擦力而停 止运动 其动能变为系统的内能 增加了 系统分子无规则运动的程度 使得无规则 运动加强 也就是系统的无序程度增加了 所以系统的熵增加 友情提示 本题考查的是对熵增加原理的 理解和应用 课 后 习 题 1 解析 1 概率 2 概率 3 概率 4 无序性增大了 2 道理与气体扩散相近 思考与讨论答案 左右各有2个分子 的微观态有6个 左室有1个分子右室有3个分子 的微观态 有4个
