高二物理人教版選修33 10.5熱力學第二定律的微觀解釋

1、4/44/44/4熱力學第二定律的微觀解釋重/難點重點：熱力學第二定律的微觀意義。難點：對熵和熵增加原理的理解。重/難點分析重點分析：一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。這就是熱力學第二定律的微觀意義。難點分析：引入熵后 ,關于自然過程的方向性就可以表述為：在任何自然過程中 ,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。從微觀角度看 ,熱力學的第二定律是一個統(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)開展 ,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度更大的方向開展。因此 ,熱力學第二定律又叫做熵增加原理。突破策略一引入新課教師：復習提問用投影片出示以下問題1什么是熱傳導

2、的方向性？2機械能和內(nèi)能之間相互轉化的方向性指的是什么？3什么是第二類永動機？為什么第二類永動機不可能制成？4熱力學第二定律的兩種表述方式是什么？學生思考答復后 ,教師指出：系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)源于組成系統(tǒng)的微觀粒子的統(tǒng)計規(guī)律。本節(jié)課就要從微觀的角度說明為什么涉及熱運動的宏觀過程會有一定的方向性。二進行新課1有序和無序 宏觀態(tài)與微觀態(tài)教師：先引導學生閱讀教材有關內(nèi)容 ,以“撲克牌為例 ,體會“有序和“無序的含義 ,從而進一步體會“宏觀態(tài)和“微觀態(tài)的含義。教師：講解當我們以系統(tǒng)的分子數(shù)分布而不區(qū)分具體的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫熱力學系統(tǒng)的宏觀態(tài)；如果使用分子數(shù)分布并且區(qū)分具體的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫熱力

3、學系統(tǒng)的微觀態(tài)。在熱力學系統(tǒng)中 ,由于存在大量粒子的無規(guī)那么熱運動 ,任一時刻各個粒子處于何種運動狀態(tài)完全是偶然的 ,而且又都隨時間無規(guī)那么地變化。系統(tǒng)中各個粒子運動狀態(tài)的每一種分布 ,都代表系統(tǒng)的一個微觀態(tài) ,系統(tǒng)的微觀態(tài)的數(shù)目是大量的 ,在任意時刻系統(tǒng)隨機地處于其中任意一個微觀態(tài)。下面我們以上圖所示的情況為例來進一步加以說明。假設容器中體積相等的A、B兩室內(nèi)具有a、b、c、d一共4個全同的分子 ,它們在A、B兩室內(nèi)的分布情況共有16種方式。具體分布如下：0 ,40 ,abcd l ,3a ,bcd ,b ,acd ,c ,abd ,d ,abc2 ,2ab ,cd ,ac ,bd ,ad

4、,bc ,bc ,ad ,bd ,ac ,cd ,ab3 ,lbcd ,a ,acd ,b ,abd ,c ,abc ,d4 ,0abcd ,0上面的分布表達中 ,如2 ,2表示一個宏觀態(tài)即A、B兩室內(nèi)各有2個分子但不區(qū)分具體分子而ab ,cd表示一個微觀態(tài)a和b分子在A室內(nèi) ,c和d分子在B室內(nèi)由上表可清楚地看出 ,不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài) ,其中以A、B兩室各有2個分子的宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)目最多6個而以4個分子全局部布在A室或全局部布在B室的宏觀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)目最少都是1個。如果一個“宏觀態(tài)對應的“微觀態(tài)比擬多 ,就說這個“宏觀態(tài)是比擬無序的。2氣體向真空的擴散教師：引導學

5、生閱讀教材有關內(nèi)容。教師講解：一個箱子被擋板分為左、右兩室 ,假設左室氣體只有a ,b ,c ,d4個分子 ,右室為真空 ,撤去擋板后 ,氣體由左向右擴散 ,由于各個微觀態(tài)出現(xiàn)的概率是一樣的 ,從宏觀上看 ,我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大 ,而分子重新集中在一個室中 ,另一個室變成真空的可能性小。而實際上 ,氣體系統(tǒng)中分子個數(shù)相當多 ,因此 ,撤去擋板后實際上我們只能看到氣體向真空中擴散 ,而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室的現(xiàn)象。從無序的角度上看 ,熱力學系統(tǒng)是由大量作無序運動的分子組成的 ,因為任何熱力學過程都伴隨著分子的無序運動狀態(tài)的變化 ,當撤去擋板的一瞬間 ,分子仍聚

6、集在左室 ,對于左右兩室這一個整體來講 ,這顯然是一種高度有序的分布 ,當氣體分子自由擴散后 ,氣體系統(tǒng)就變得無序了 ,因此 ,氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的 ,因此 ,一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。這就是熱力學第二定律的微觀意義。3熵教師：引導學生閱讀教材有關內(nèi)容。教師講解：對于由大量分子構成的系統(tǒng)而言 ,宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)目往往很大 ,這不利于實際計算。為此 ,玻耳茲曼引進了熵的概念 ,并定義系統(tǒng)的熵為 ,后來普朗克把它寫成 ,式中 k叫做玻耳茲曼常數(shù) ,S為系統(tǒng)的熵 ,為一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)數(shù)目。引入熵后 ,關于自然過程的方向性就可以表述

7、為：在任何自然過程中 ,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。從微觀角度看 ,熱力學的第二定律是一個統(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)開展 ,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度更大的方向開展。因此 ,熱力學第二定律又叫做熵增加原理。例1以下說法正確的選項是()A如果大量分子的集合從A分布進入B分布的概率大于從B分布進入A分布的概率 ,那么B分布更無序B如果大量分子的集合從A分布進入B分布的概率大于從B分布進入A分布 ,那么A分布更無序C大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進入B分布 ,那么該過程是可逆的D大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進入B分布 ,那么該過程是不可逆的解析：一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。如果大量分子的集合從A分布進入B分布的概率大于從B分布進入A分布的概率 ,那么說明B分布更無序一些 ,A正確 ,B錯誤。大量分子的集合自發(fā)的運動過程是不可逆的 ,D正確 ,C錯誤。突破反思本次課主要采取設置情景教學法 ,讓學生積極主動的參與到教學活動中來 ,使他們在活動中得到認識和體驗 ,產(chǎn)生踐行的愿望。培養(yǎng)學生