人教版高中物理選修3-310.5《熱力學第二定律的微觀解釋》(共19張)

1、第十章第十章 熱力學定律熱力學定律第五節(jié)第五節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋熱力學第二定律的微觀解釋 一、有序和無序一、有序和無序1、有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫、有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫做有序。做有序。2、無序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無序。、無序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無序。無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。有序和無序是相對的。有序和無序是相對的。二、宏觀態(tài)和微觀態(tài)二、宏觀態(tài)和微觀態(tài)1.宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學系統(tǒng)的宏觀態(tài)。系統(tǒng)

2、的宏觀態(tài)。2.微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)則的微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。狀態(tài)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無序程度的大小。如果一個序程度的大小。如果一個“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”對應的對應的“微觀態(tài)微觀態(tài)”比較多，就說這個比較多，就說這個“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性決定了宏觀過程的方向性從有序到無序。從有序到無序。 從日常生活中的例子，我們了解了有序和無序的從日常生活中的例子，我們了解了有序和無序的基本含義，并且知

3、道了基本含義，并且知道了“宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)越多，宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)越多，宏觀態(tài)就越無序。宏觀態(tài)就越無序?！爆F(xiàn)在我們以氣體向真空中的擴現(xiàn)在我們以氣體向真空中的擴散為例，探討與熱現(xiàn)象有關的宏觀自發(fā)過程的方向散為例，探討與熱現(xiàn)象有關的宏觀自發(fā)過程的方向性。性。 一個被隔板分為一個被隔板分為A A、B B相等兩部分的箱子，裝有相等兩部分的箱子，裝有4 4個涂以不同顏色分子個涂以不同顏色分子。三、三、氣體向真空的擴散氣體向真空的擴散分布分布（宏觀態(tài)）（宏觀態(tài)）詳細分布詳細分布（微觀態(tài)）（微觀態(tài)） 14641開始時，開始時，4 4個分子都在個分子都在A A部，抽出隔板后分子將向部，抽出隔板后分子將向B

4、B部擴散并在整個箱子內(nèi)無規(guī)則運動。隔板被抽出后，部擴散并在整個箱子內(nèi)無規(guī)則運動。隔板被抽出后，4 4分子在箱子中可能的分布情形如下圖所示：分子在箱子中可能的分布情形如下圖所示：AB 微觀態(tài)共有微觀態(tài)共有2 24 4=16=16種可能的方式，而且種可能的方式，而且4 4個分子全個分子全部退回到部退回到A A部的可能性即幾率為部的可能性即幾率為1/21/24 4=1/16=1/16。從表中可以看出，從表中可以看出，“左左2 2右右2 2”這種宏觀上看來均勻分這種宏觀上看來均勻分布的情況，所對應的微觀態(tài)的個數(shù)最多，布的情況，所對應的微觀態(tài)的個數(shù)最多，“左左0 0右右4 4”，“左左4 4右右0 0”

5、這種極端不均勻的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)這種極端不均勻的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的個數(shù)很少。的個數(shù)很少。統(tǒng)計物理基本假定統(tǒng)計物理基本假定等幾率原理：對于孤立系，各種等幾率原理：對于孤立系，各種微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性（或幾率）是相等的。微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性（或幾率）是相等的。各種宏觀態(tài)不是等幾率的。那種宏觀態(tài)包含的微各種宏觀態(tài)不是等幾率的。那種宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)多，這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就大。觀態(tài)數(shù)多，這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就大。定義定義熱力學幾率熱力學幾率：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數(shù)目稱與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數(shù)目稱為熱力學幾率。記為為熱力學幾率。記為 。 在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應的微觀態(tài)最多，

6、在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應的微觀態(tài)最多，熱力學幾率最大，實際觀測到的可能性或幾率最大。熱力學幾率最大，實際觀測到的可能性或幾率最大。 所以，實際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。所以，實際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所達到的平衡態(tài)。即系統(tǒng)最后所達到的平衡態(tài)。 熱力學第二定律的熱力學第二定律的微觀意義微觀意義：一切自發(fā)過程總是沿著一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行。分子熱運動無序性增大的方向進行。在熱力學中，在熱力學中，序：區(qū)分度。序：區(qū)分度。 對于一個熱力學系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們對于一個熱力學系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們認為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平

7、衡態(tài)，我們認為認為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認為它處于無序的狀態(tài)。它處于無序的狀態(tài)。四、熱力學第二定律的微觀意義四、熱力學第二定律的微觀意義對整個宇宙不適用。對整個宇宙不適用。如布朗運動。如布朗運動。平衡態(tài)相應于一定宏觀平衡態(tài)相應于一定宏觀條件下條件下 最大的狀態(tài)。最大的狀態(tài)。熱力學第二定律的統(tǒng)計表述：熱力學第二定律的統(tǒng)計表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過程孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過渡，從熱力學幾率小觀態(tài)過渡，從熱力學幾率小的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。態(tài)過渡。自

8、然過程總是向著自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學幾率使系統(tǒng)熱力學幾率增大的方向進行。增大的方向進行。4.4.熱力學第二定律的適用范圍熱力學第二定律的適用范圍注意：注意：微觀狀態(tài)數(shù)微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無序是最混亂、最無序的狀態(tài)。的狀態(tài)。一切自發(fā)過程總是一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的沿著分子熱運動的無序性增大的方向無序性增大的方向進行。進行。1 1）適用于宏觀過程）適用于宏觀過程對微觀過程不適用，對微觀過程不適用，2 2）孤立系統(tǒng)有限范圍）孤立系統(tǒng)有限范圍。五、熵與熵增加原理五、熵與熵增加原理 “熵熵”是什么？是什么？“熵熵”是德國物理學家克勞修斯在是德國物理學家克勞

9、修斯在18501850年創(chuàng)造的一個術語，他用熵來表示任何一種能量年創(chuàng)造的一個術語，他用熵來表示任何一種能量在空間分布的均勻程度。能量分布得越均勻，熵就越在空間分布的均勻程度。能量分布得越均勻，熵就越大。如果對于我們所考慮的那個系統(tǒng)來說，能量完全大。如果對于我們所考慮的那個系統(tǒng)來說，能量完全均勻地分布，那么這個系統(tǒng)的熵就達到最大值。均勻地分布，那么這個系統(tǒng)的熵就達到最大值。簡單的說，簡單的說，“熵熵”就是微觀粒子的無序程度、能量就是微觀粒子的無序程度、能量差別的消除程度。差別的消除程度。在克勞修斯看來，在一個封閉的系統(tǒng)中，運動總是在克勞修斯看來，在一個封閉的系統(tǒng)中，運動總是從有序到無序發(fā)展的。從

10、有序到無序發(fā)展的。 比如，把一塊冰糖放入水中，結果整杯水都甜了。這比如，把一塊冰糖放入水中，結果整杯水都甜了。這就是說，糖分子的運動擴展到了整杯水中，它們的運就是說，糖分子的運動擴展到了整杯水中，它們的運動變得更加無序了。對于一個封閉的系統(tǒng)，能量差也動變得更加無序了。對于一個封閉的系統(tǒng)，能量差也總是傾向于消除的。比如，有水位差的兩個水庫，如總是傾向于消除的。比如，有水位差的兩個水庫，如果把它們連接起來，那么，重力就會使一個水庫的水果把它們連接起來，那么，重力就會使一個水庫的水面降低，而使另一個水庫的水面升高，直到兩個水庫面降低，而使另一個水庫的水面升高，直到兩個水庫的水面均等，勢能取平為止。的

11、水面均等，勢能取平為止。 克勞修斯總結說，自然界中的一個普遍規(guī)律是：運克勞修斯總結說，自然界中的一個普遍規(guī)律是：運動總是從有序到無序，能量的差異總是傾向變成均等，動總是從有序到無序，能量的差異總是傾向變成均等，也即也即“熵將隨著時間而增大熵將隨著時間而增大”。 熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運狀態(tài)決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序動無序( (混亂混亂) )程度的定量量度。程度的定量量度。S=Kln 一個系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在一個系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化

12、的。在自然過程中，系統(tǒng)的熵是增加的。自然過程中，系統(tǒng)的熵是增加的。 在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減少叫做熵增加原理。為此，不少人也把熱力學第二定少叫做熵增加原理。為此，不少人也把熱力學第二定律叫做熵增加原理。律叫做熵增加原理。 從從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。是向無序程度更

13、大的方向發(fā)展。附：可愛的熵附：可愛的熵 物理學中有個熵定律，也就是著名的熱力學第二定律。物理學中有個熵定律，也就是著名的熱力學第二定律。熵的增加表示宇宙物質的日益混亂和無序，是無效能量熵的增加表示宇宙物質的日益混亂和無序，是無效能量的總和。熵本身既不是好事，也不是壞事；它意味著腐的總和。熵本身既不是好事，也不是壞事；它意味著腐敗和混亂，但它同時也意味著生命本身的展開敗和混亂，但它同時也意味著生命本身的展開不論不論是有機的，還是無機的生命?？ㄞr(nóng)、喬治是有機的，還是無機的生命。卡農(nóng)、喬治梅特勒的大梅特勒的大爆炸學說也認為，宇宙是以有序的狀態(tài)開始，不斷地向爆炸學說也認為，宇宙是以有序的狀態(tài)開始，不斷

14、地向無序狀態(tài)發(fā)展，它與熱力學第二定律是相符的。熱力學無序狀態(tài)發(fā)展，它與熱力學第二定律是相符的。熱力學第一定律說明能量是守恒的、不滅的，只能從一種形式第一定律說明能量是守恒的、不滅的，只能從一種形式轉變到另一種形式；熱力學第二定律（熵定律）卻表明：轉變到另一種形式；熱力學第二定律（熵定律）卻表明：能量不可逆轉地沿著一個方向轉化，即從對人類來說是能量不可逆轉地沿著一個方向轉化，即從對人類來說是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài)?？衫玫淖?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài)。 有效能量告罄時，是有效能量告罄時，是“熱寂熱寂”死寂的熱平衡死寂的熱平衡狀態(tài)。狀態(tài)。有效物質耗盡時，是一片有效物質耗盡時，是一片“物質混亂物質混亂”整個整個宇宙的大混亂和大混沌。宇宙的大混亂和大混沌。古羅馬詩人賀拉斯說：古羅馬詩人賀拉斯說：“時間磨滅了世界的價時間磨滅了世界的價值！值！”可謂一語道破了熵定律的真諦?？芍^一語道破了熵定律的真諦。物理學家們認為，熵定律是物質世界的最終定物理學家們認為，熵定律是物質世界的最終定律，人類參與的每一項物質活動都受到熱力學律，人類參與的每一項物質活動都受到熱力學第一、第二定律的嚴密制約；但是，他們第一、第二定律的嚴密制約；但是，他們又認為熵定律只涉及物質世界，只控制時空的又認為熵定律只涉及物質世界，只控制時空的橫向世界，人類的精神世界并不