10.5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋

1、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋,導(dǎo) 入 新 課,熱傳導(dǎo)，以溫度作為標(biāo)準(zhǔn)，熱量總是從高溫物體傳向低溫物體，直到溫度相等為止。,氣體擴(kuò)散以密度作為標(biāo)準(zhǔn)，從密度大地方向密度小的地方擴(kuò)散，直到密度相同時(shí)為止。,想一想,既然各種不可逆過程是相互關(guān)聯(lián)的，相互一致的。那么能不能找出一個(gè)物理量來作為共同標(biāo)準(zhǔn)，來判斷任按統(tǒng)計(jì)規(guī)律任何不可逆過程的方向與限度呢？而宏觀表現(xiàn)總是源于微觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律，所以可以從微觀來尋找答案。,教 學(xué) 目 標(biāo),知識(shí)與能力,1.了解有序和無

2、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)無序程度的物理量。 4.知道隨著條件的變化，熵是變化的。,過程與方法,1. 學(xué)會(huì)通過現(xiàn)象總結(jié)規(guī)律的科學(xué)方法。 2. 知道熵的概念，知道任何自然過程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少。,情感與價(jià)值觀,有參與實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律的熱情，從而能更方便的解決實(shí)際問題。 再次體會(huì)學(xué)以致用，結(jié)合身邊的例子發(fā)現(xiàn)生活中的物理知識(shí)

3、。,重點(diǎn) 難點(diǎn),1.有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。 2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 3.熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量。,內(nèi) 容 解 析,有序和無序,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。 有序和無序是相對(duì)的。,學(xué)員休息時(shí)雜亂無章，集合哨一響，隊(duì)員迅速歸

4、隊(duì)，隊(duì)伍整齊劃一。,宏觀態(tài)與微觀態(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，就說這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時(shí)也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無序 。,熱力學(xué)第二定律的微觀意義,下面從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)探討過程的不可逆性微觀意義，并由此深入認(rèn)識(shí)第二

5、定律的本質(zhì)。,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。開始時(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：,不可逆過程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)（以氣體自由膨脹為例）,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=1/16。,一般來說，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)

6、于真實(shí)理想氣體系統(tǒng)N?1023/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，不可能發(fā)生此類事件。,對(duì)單個(gè)分子或少量分子來說，它們擴(kuò)散到B部的過程原則上是可逆的。,對(duì)大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向B部自由膨脹的宏觀過程實(shí)際上是不可逆的。這就是宏觀過程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計(jì)解釋。,第二定律的統(tǒng)計(jì)表述（依然看前例）,,上邊一列的各種分布僅指出A、B兩邊各有幾個(gè)分子，代

7、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)。,4個(gè)分子在容器中的分布對(duì)應(yīng)5種宏觀態(tài)。對(duì)應(yīng)若干種一種宏觀態(tài)微觀態(tài)。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),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

8、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)際觀測到的可能性或幾率最大。,對(duì)于1023個(gè)分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，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%。,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)生的過程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀

9、態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過渡，從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過渡。,自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進(jìn)行。,注意：微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無序的狀態(tài)。,一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行。,熱力學(xué)第二定律的適用范圍,1.適用于宏觀過程對(duì)微觀過程不適用，,如布朗運(yùn)動(dòng)。,2.孤立系統(tǒng)有限范圍。對(duì)整個(gè)宇宙不適用,熵,熵指的是體系的混亂的程度，它在控制論、概率論、數(shù)論、天體物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)

10、用，在不同的學(xué)科中也有引申出的更為具體的定義，是各領(lǐng)域十分重要的參量。熵由魯?shù)婪?#183;克勞修斯（Rudolf Clausius）提出，并應(yīng)用在熱力學(xué)中。后來在，克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）第一次將熵的概念引入到信息論中來。,熱力學(xué)第二定律是根據(jù)大量觀察結(jié)果總結(jié)出來的規(guī)律，有下述表述方式：在孤立系統(tǒng)中，實(shí)際發(fā)生的過程總使整個(gè)系統(tǒng)的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分機(jī)械能不

11、可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，使熵增加。熱量dQ由高溫(T1)物體傳至低溫(T2)物體，高溫物體的熵減少dS1=dQ/T1，低溫物體的熵增加dS2=dQ/T2，把兩個(gè)物體合起來當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)來看，熵的變化是dS＝dS2+dS1＞0，即熵是增加的。,物理學(xué)家玻爾茲曼將熵定義為一種特殊狀態(tài)的概率：原子聚集方式的數(shù)量?？删_表示為：　　S=KlogW K是比例常數(shù)，現(xiàn)在稱為玻爾茲曼常數(shù)。,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。

12、從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無序(混亂)程度的定量量度。一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在自然過程中，系統(tǒng)的熵是增加的。在絕熱過程或孤立系統(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。,了解,絕對(duì)零度：絕對(duì)零度是根據(jù)

13、理想氣體所遵循的規(guī)律，用外推的方法得到的。用這樣的方法，當(dāng)溫度降低到-273.15℃時(shí)，氣體的體積將減小到零。如果從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，理想氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能由溫度T確定，那么也可以把絕對(duì)零度說成是“理想氣體分子停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度”。以上兩種說法都只是一種理想的推理。,課 堂 小 結(jié),1、有序和無序 宏觀態(tài)和微觀態(tài),一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。,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)無序程度的大小。

14、如果一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時(shí)也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無序 。,2、熵的概念,3、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋,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。,課 堂 練 習(xí),1. 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)