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高中物理新课标版人教版选修3-3精品课件:10.5《热力学第二定律的微观解释》(PPT课件可以编辑)


新课标人教版课件系列

《高中物理》
选修3-3

10.5《热力学第二定律 的微观解释》

教学目标
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知识与技能 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 情感态度和价值观 培养分析、归纳、综合能力

1.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。 2.宏观态和微观态 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。

3.热力学第二定律的统计意义

?热力学第二定律的微观意义
对于一个热力学系统,如果处于非平衡态,我们认为它处于 有序的状态,如果处于平衡态,我们认为它处于无序的状态。 在热力学中,序:区分度。

热力学第二定律的微观意义:一切自然过程总是沿着无序性增大 的方向进行。
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。

?不可逆过程的统计性质(以气体自由膨胀为例)

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:
分布 详细分布 (宏观态) (微观态)
A B

? 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 10 23 数值极小,意味着此事件永远不会发生。从任何实际操 12 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)
左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。 分布 详细分布 (宏观态) (微观态) 4个分子在容器中的分布对应5种宏观态。 一种宏观态对应若干种微观态。
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。
在一定的宏观条件下,各种可能的宏观态中哪 一种是实际所观测到的?

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%。 所以,实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最 后所达到的平衡态。

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。 4.热力学第二定律的适用范围

自然过程总是向着 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。

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。

4.熵与熵增加原理 “熵”是什么?“熵”是德国物理学家克劳修斯在 1850年创造的一个术语,他用熵来表示任何一种能量 在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀,熵就越 大。如果对于我们所考虑的那个系统来说,能量完全 均匀地分布,那么这个系统的熵就达到最大值。 简单的说,“熵”就是微观粒子的无序程度、能量 差别的消除程度。 在克劳修斯看来,在一个封闭的系统中,运动总是 从有序到无序发展的。

比如,把一块冰糖放入水中,结果整杯水都甜了。这 就是说,糖分子的运动扩展到了整杯水中,它们的运 动变得更加无序了。对于一个封闭的系统,能量差也 总是倾向于消除的。比如,有水位差的两个水库,如 果把它们连接起来,那么,重力就会使一个水库的水 面降低,而使另一个水库的水面升高,直到两个水库 的水面均等,势能取平为止。
克劳修斯总结说,自然界中的一个普遍规律是:运 动总是从有序到无序,能量的差异总是倾向变成均等, 也即“熵将随着时间而增大”。

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。 S=KlnΩ 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。

可爱的熵 ? 物理学中有个熵定律,也就是著名的热力学第二定律。 熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序,是无效能量 的总和。熵本身既不是好事,也不是坏事;它意味着腐 败和混乱,但它同时也意味着生命本身的展开──不论 是有机的,还是无机的生命。卡农、乔治〃梅特勒的大 爆炸学说也认为,宇宙是以有序的状态开始,不断地向 无序状态发展,它与热力学第二定律是相符的。热力学 第一定律说明能量是守恒的、不灭的,只能从一种形式 转变到另一种形式;热力学第二定律(熵定律)却表明: 能量不可逆转地沿着一个方向转化,即从对人类来说是 可利用的变为不可利用的状态。
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有效能量告罄时,是“热寂”──死寂的热平衡 状态。 有效物质耗尽时,是一片“物质混乱”──整个 宇宙的大混乱和大混沌。 古罗马诗人贺拉斯说:“时间磨灭了世界的价 值!”可谓一语道破了熵定律的真谛。 物理学家们认为,熵定律是物质世界的最终定 律,人类参与的每一项物质活动都受到热力学 第一、第二定律的严密制约;但是,他们 又认为熵定律只涉及物质世界,只控制时空的 横向世界,人类的精神世界并不受熵定律的专 制统治! 所以,生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流! 人类精神的无限发展,是不可抗拒的熵增大长 河中的一条逆流之舟!

1.电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较 BD 高的外界空气,这说明了 A.热量能自发地从低温物体传给高温物体 B.在一定条件下,热量可以从低温物体传给高温物体 C.热量的传导过程不具有方向性 D.在自发地条件下热量的传导过程具有方向性
[精与解] 我们知道,一切自发过程都有方向性,如热传导,热 量总是由高温物体传向低温物体;又如扩散,气体总是由密度大 的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下气体可以由密度 大的地方向密度小的地方扩散,热量可以从低温物体传向高温物 体,电冰箱就是借助外力做功把热量从低温物体─冷冻食品传向 高温物体─周围的大气。所以,在回答热力学过程的方向问题时, 要区分是自发过程还是非自发过程,电冰箱内热量传递的过程是 有外界参与的。本题答案是A错B对C错D对。

2.一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。

B 3.下面关于熵的说法错误的是 A.熵是物体内分子运动无序程度的量度 B.在孤立系统中,一个自发的过程总是向熵减少的方向进行 C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的,因此热力学第二定律 又叫熵增加原理 D.熵值越大,代表系统分子运动越无序 [精与解] 热力学第二定律提示:一切自然过程总是沿着分子热运动 无序性增大的方向进行的。例如,功转变为热是机械能或电能转变 为内能的过程是大量分子的有序运动向无序运动转化,气缸内燃气 推动活塞做功燃气分子作有序运动,排出气缸后作越来越无序的运 动。 物理学中用熵来描述系统大量分子运动的无序性程度。热力学第 二定律用熵可表述为:在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不 会减小,也就是说,一个孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的 状态发展。反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无 序性增大的方向进行。

4.关于有序和无序下列说法正确的是( ABD ) A.有序和无序不是绝对的 B.一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态” C.一个“宏观态”对应着唯一的“微观态” D.无序意味着各处一样、平均、没有差别

5.根据热力学第二定律判断,下列说法正确的是 ( CD ) A.内能可以自发的转变成机械能 B.扩散的过程完全可逆的 C.火力发电时,燃烧物质的内能不可以全部转化为 电能 D.热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体

6.倒一杯热水,然后加入适当的糖后,糖会全部溶于水中,但一段时间 后又观察到杯底部有糖结晶,关于这个过程下列叙述正确的是( BD ) A.溶解过程是自发的,结晶过程也是自发的,因此热力学第二定律是 错误的 B.溶解过程是有序向无序转变的过程 C.结晶过程是有序向无序转变的过程 D.结晶过程不是自发的,因为有外界的影响

7.下列说法正确的是 ( ) AD A.如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分 布,则B分布更无序 B.如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分 布,则A分布更无序 C.大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布,则该过程是可逆的 D.大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布,则该过程是不可逆的

8.一个密闭的容器内有稀薄气体,在容器上开一个 小口,外部的空气就会流入容器,在气体流入过 程中,容器内靠近开口处的空气密度暂时变得比 内部大,以下说法正确的是( BCD ) A.此时容器内气体处于一个不平衡状态,是一个 最无序的状态 B.外界的影响破坏了容器内气体的平衡 C.上面事实说明热力学第二定律只适用于封闭系 统 D.对一个开放系统并不一定是最无序的分布

9.下列说法正确的是( BCD ) A.热力学第二定律只在一定前提条件下才能成立 B.热力学第二定律揭示了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 C.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过 程具有方向性 D.热力学第二定律揭示了有大量分子参与宏观过程的方向性

10.从微观角度看( ACD ) A.热力学第二定律是一个统计规律 B.一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展 C.一个宏观状态所对应的微观状态越多,越是无序,熵值 越大 D.出现概率越大的宏观状态,熵值越大

11.下列说法正确的是( ABD ) A.与热现象有关的自发的宏观过程是有方向 性的 B.与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加 的过程 C.气体扩散现象向着无序性增加的方向进行, 是可逆过程 D.机械能转化为内能的过程是系统的熵增加 的过程


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