高中物理：10.5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 課件 新人教 選修33

1、2021/8/11 星期三1高中物理新人教版選修- 系列課件2021/8/11 星期三210.5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋第十章熱力學(xué)定律 2021/8/11 星期三3教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能1.了解有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。2.了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。3.了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。4.知道隨著條件的變化，熵是變化的。過(guò)程與方法.學(xué)會(huì)通過(guò)現(xiàn)象總結(jié)規(guī)律的科學(xué)方法2.知道熵的概念，知道任何自然過(guò)程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少情感態(tài)度和價(jià)值觀培養(yǎng)分析、歸納、綜合能力2021/8/11 星期三41.有序和無(wú)序有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就叫做有序。無(wú)序：不符合某

2、種確定規(guī)則的稱為無(wú)序。無(wú)序意味著各處都一樣，平均、沒(méi)有差別，有序則相反。有序和無(wú)序是相對(duì)的。2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)。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(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài)。系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無(wú)序程度的大小。如果一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的，同時(shí)也決定了宏觀過(guò)程的方向性從有序到無(wú)序。2021/8/11 星期三5不可逆過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)（以氣體自由膨脹為例） 下面從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)探討過(guò)程的不可逆性微觀意義，并由此深入認(rèn)識(shí)第二定律的本質(zhì)。 熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過(guò)程

3、總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。在熱力學(xué)中，序：區(qū)分度。 對(duì)于一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們認(rèn)為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認(rèn)為它處于無(wú)序的狀態(tài)。 一個(gè)被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個(gè)涂以不同顏色分子。3.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義熱力學(xué)第二定律的微觀意義2021/8/11 星期三6分布（宏觀態(tài)）詳細(xì)分布（微觀態(tài)）14641開(kāi)始時(shí)，4個(gè)分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴(kuò)散并在整個(gè)容器內(nèi)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：2021/8/11 星期三7 微觀態(tài)共有24=16種可能的方式，而且4個(gè)分子全部退回到A部的可能性即幾率為1/24=1

4、/16。 一般來(lái)說(shuō)，若有N個(gè)分子，則共2N種可能方式，而N個(gè)分子全部退回到A部的幾率1/2N.對(duì)于真實(shí)理想氣體系統(tǒng)N1023/mol，這些分子全部退回到A部的幾率為 。此數(shù)值極小，意味著此事件永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。從任何實(shí)際操作的意義上說(shuō)，不可能發(fā)生此類事件。 對(duì)單個(gè)分子或少量分子來(lái)說(shuō)，它們擴(kuò)散到B部的過(guò)程原則上是可逆的。 對(duì)大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們向B部自由膨脹的宏觀過(guò)程實(shí)際上是不可逆的。這就是宏觀過(guò)程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計(jì)解釋。2021/8/11 星期三8第二定律的統(tǒng)計(jì)表述（依然看前例） 4個(gè)分子在容器中的分布對(duì)應(yīng)5種宏觀態(tài)。分布（宏觀態(tài)）詳細(xì)分布（微觀態(tài)） 左邊一列的各種分布僅指出A、

5、B兩邊各有幾個(gè)分子，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細(xì)的分布，具體指明了這個(gè)或那個(gè)分子各處于A或B哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個(gè)微觀態(tài)。一種宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)若干種微觀態(tài)。在一定的宏觀條件下，各種可能的宏觀態(tài)中哪一種是實(shí)際所觀測(cè)到的？不同的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)不同。均勻分布對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多。全部退回A邊僅對(duì)應(yīng)一種微觀態(tài)。2021/8/11 星期三9統(tǒng)計(jì)物理基本假定等幾率原理：對(duì)于孤立系，各種微觀態(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)包含的微觀態(tài)數(shù)多，這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就大。定義熱力學(xué)幾率：與同一宏觀態(tài)相應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學(xué)幾率。記為 。 在上例中，均勻分布這

6、種宏觀態(tài)，相應(yīng)的微觀態(tài)最多，熱力學(xué)幾率最大，實(shí)際觀測(cè)到的可能性或幾率最大。 所以，實(shí)際觀測(cè)到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所達(dá)到的平衡態(tài)。 對(duì)于1023個(gè)分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率的總和相比，此比值幾乎或?qū)嶋H上為100%。2021/8/11 星期三10對(duì)整個(gè)宇宙不適用。如布朗運(yùn)動(dòng)。平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下 最大的狀態(tài)。熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過(guò)程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過(guò)渡，從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過(guò)渡。自然過(guò)程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進(jìn)行。4.熱力學(xué)第

7、二定律的適用范圍注意：微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無(wú)序的狀態(tài)。一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。1）適用于宏觀過(guò)程對(duì)微觀過(guò)程不適用，2）孤立系統(tǒng)有限范圍。2021/8/11 星期三114.熵與熵增加原理 “熵”是什么？“熵”是德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1850年創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，他用熵來(lái)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，熵就越大。如果對(duì)于我們所考慮的那個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能量完全均勻地分布，那么這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值。簡(jiǎn)單的說(shuō)，“熵”就是微觀粒子的無(wú)序程度、能量差別的消除程度。在克勞修斯看來(lái)，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)總是從有序到無(wú)序發(fā)展的。2021/8/11 星期三

8、12 比如，把一塊冰糖放入水中，結(jié)果整杯水都甜了。這就是說(shuō)，糖分子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展到了整杯水中，它們的運(yùn)動(dòng)變得更加無(wú)序了。對(duì)于一個(gè)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(gè)水庫(kù)，如果把它們連接起來(lái)，那么，重力就會(huì)使一個(gè)水庫(kù)的水面降低，而使另一個(gè)水庫(kù)的水面升高，直到兩個(gè)水庫(kù)的水面均等，勢(shì)能取平為止。 克勞修斯總結(jié)說(shuō)，自然界中的一個(gè)普遍規(guī)律是：運(yùn)動(dòng)總是從有序到無(wú)序，能量的差異總是傾向變成均等，也即“熵將隨著時(shí)間而增大”。2021/8/11 星期三13 熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序(混亂)程度的定量量度。S=Kln 一個(gè)系

9、統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在自然過(guò)程中，系統(tǒng)的熵是增加的。 在絕熱過(guò)程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵增加原理。對(duì)于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。 從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)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(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。2021/8/11 星期三14可愛(ài)的熵物理學(xué)中有個(gè)熵定律，也就是著名的熱力學(xué)第二定律。熵的增加表示宇宙物質(zhì)的日益混亂和無(wú)序，是無(wú)效能量的總和。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(shí)也意味著生命本身的展開(kāi)不論是有機(jī)的，還是無(wú)機(jī)的生命?？ㄞr(nóng)、喬治梅特

10、勒的大爆炸學(xué)說(shuō)也認(rèn)為，宇宙是以有序的狀態(tài)開(kāi)始，不斷地向無(wú)序狀態(tài)發(fā)展，它與熱力學(xué)第二定律是相符的。熱力學(xué)第一定律說(shuō)明能量是守恒的、不滅的，只能從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式；熱力學(xué)第二定律（熵定律）卻表明：能量不可逆轉(zhuǎn)地沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)化，即從對(duì)人類來(lái)說(shuō)是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài)。2021/8/11 星期三15有效能量告罄時(shí)，是“熱寂”死寂的熱平衡狀態(tài)。有效物質(zhì)耗盡時(shí)，是一片“物質(zhì)混亂”整個(gè)宇宙的大混亂和大混沌。古羅馬詩(shī)人賀拉斯說(shuō)：“時(shí)間磨滅了世界的價(jià)值！”可謂一語(yǔ)道破了熵定律的真諦。物理學(xué)家們認(rèn)為，熵定律是物質(zhì)世界的最終定律，人類參與的每一項(xiàng)物質(zhì)活動(dòng)都受到熱力學(xué)第一、第二定律的嚴(yán)密制約；但是，他們

11、又認(rèn)為熵定律只涉及物質(zhì)世界，只控制時(shí)空的橫向世界，人類的精神世界并不受熵定律的專制統(tǒng)治！所以，生命的現(xiàn)象是宇宙洪流中的一股逆流！人類精神的無(wú)限發(fā)展，是不可抗拒的熵增大長(zhǎng)河中的一條逆流之舟！2021/8/11 星期三161電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，這說(shuō)明了A熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C熱量的傳導(dǎo)過(guò)程不具有方向性D在自發(fā)地條件下熱量的傳導(dǎo)過(guò)程具有方向性精與解 我們知道，一切自發(fā)過(guò)程都有方向性，如熱傳導(dǎo)，熱量總是由高溫物體傳向低溫物體；又如擴(kuò)散，氣體總是由密度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散。如果在外界幫助下氣體

12、可以由密度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，電冰箱就是借助外力做功把熱量從低溫物體冷凍食品傳向高溫物體周?chē)拇髿狻Ｋ?，在回答熱力學(xué)過(guò)程的方向問(wèn)題時(shí)，要區(qū)分是自發(fā)過(guò)程還是非自發(fā)過(guò)程，電冰箱內(nèi)熱量傳遞的過(guò)程是有外界參與的。本題答案是A錯(cuò)B對(duì)C錯(cuò)D對(duì)。BD2021/8/11 星期三172.一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？解析：因?yàn)槲矬w由于受到摩擦力而停止運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，使得無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。2021/8/11 星期三183.下面關(guān)于熵的說(shuō)法錯(cuò)誤的是A熵是物體內(nèi)分

13、子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度B在孤立系統(tǒng)中，一個(gè)自發(fā)的過(guò)程總是向熵減少的方向進(jìn)行C熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是熵是增加的，因此熱力學(xué)第二定律又叫熵增加原理D熵值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無(wú)序精與解 熱力學(xué)第二定律提示：一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的。例如，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C(jī)械能或電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的過(guò)程是大量分子的有序運(yùn)動(dòng)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，氣缸內(nèi)燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功燃?xì)夥肿幼饔行蜻\(yùn)動(dòng)，排出氣缸后作越來(lái)越無(wú)序的運(yùn)動(dòng)。 物理學(xué)中用熵來(lái)描述系統(tǒng)大量分子運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性程度。熱力學(xué)第二定律用熵可表述為：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，也就是說(shuō)，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。反

14、映了一個(gè)孤立系統(tǒng)的自然過(guò)程會(huì)沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。 B2021/8/11 星期三194.關(guān)于有序和無(wú)序下列說(shuō)法正確的是（ ）A有序和無(wú)序不是絕對(duì)的 B一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對(duì)應(yīng)著許多的“微觀態(tài)”C一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)著唯一的“微觀態(tài)”D無(wú)序意味著各處一樣、平均、沒(méi)有差別ABD5.根據(jù)熱力學(xué)第二定律判斷，下列說(shuō)法正確的是（ ）A內(nèi)能可以自發(fā)的轉(zhuǎn)變成機(jī)械能B擴(kuò)散的過(guò)程完全可逆的C火力發(fā)電時(shí)，燃燒物質(zhì)的內(nèi)能不可以全部轉(zhuǎn)化為電能D熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體CD2021/8/11 星期三206.倒一杯熱水，然后加入適當(dāng)?shù)奶呛?，糖?huì)全部溶于水中，但一段時(shí)間后又觀察到杯底部有糖結(jié)晶，

15、關(guān)于這個(gè)過(guò)程下列敘述正確的是（ ） A溶解過(guò)程是自發(fā)的，結(jié)晶過(guò)程也是自發(fā)的，因此熱力學(xué)第二定律是錯(cuò)誤的B溶解過(guò)程是有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變的過(guò)程C結(jié)晶過(guò)程是有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變的過(guò)程D結(jié)晶過(guò)程不是自發(fā)的，因?yàn)橛型饨绲挠绊態(tài)D7.下列說(shuō)法正確的是 ( ) A如果大量分子的集合從A分布進(jìn)入B分布的概率大于從B分布進(jìn)入A分布，則B分布更無(wú)序B如果大量分子的集合從A分布進(jìn)入B分布的概率大于從B分布進(jìn)入A分布，則A分布更無(wú)序C大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進(jìn)入B分布，則該過(guò)程是可逆的D大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進(jìn)入B分布，則該過(guò)程是不可逆的AD2021/8/11 星期三218.一個(gè)密閉的容器內(nèi)有稀薄氣體，在容器上開(kāi)一個(gè)小口，外部的空氣就會(huì)流入容器，在氣體流入過(guò)程中，容器內(nèi)靠近開(kāi)口處的空氣密度暫時(shí)變得比內(nèi)部大，以下說(shuō)法正確的是（ ）A此時(shí)容器內(nèi)氣體處于一個(gè)不平衡狀態(tài)，是一個(gè)最無(wú)序的狀態(tài) B外界的影響破壞了容器內(nèi)氣體的平衡 C上面事實(shí)說(shuō)明熱力學(xué)第二定律只適用于封閉系統(tǒng)D對(duì)一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)并不一定是最無(wú)序的分布 BCD2021/8/11 星期三229.下列說(shuō)法正確的是（ ）A熱力學(xué)第二定律只在一定前提條件下才能成立B熱力學(xué)第二定律揭示了一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行C能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性D熱力學(xué)第二定律揭示了有大量分子參與宏觀過(guò)程的方向性BCD1