10.5熱力學第二定律的微觀解釋

1、熱力學第二定律的微觀解釋,導 入 新 課,熱傳導，以溫度作為標準，熱量總是從高溫物體傳向低溫物體，直到溫度相等為止。,氣體擴散以密度作為標準，從密度大地方向密度小的地方擴散，直到密度相同時為止。,想一想,既然各種不可逆過程是相互關聯(lián)的，相互一致的。那么能不能找出一個物理量來作為共同標準，來判斷任按統(tǒng)計規(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)計規(guī)律，所以可以從微觀來尋找答案。,教 學 目 標,知識與能力,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. 學會通過現(xiàn)象總結規(guī)律的科學方法。 2. 知道熵的概念，知道任何自然過程中一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減少。,情感與價值觀,有參與實驗總結規(guī)律的熱情，從而能更方便的解決實際問題。 再次體會學以致用，結合身邊的例子發(fā)現(xiàn)生活中的物理知識

3、。,重點 難點,1.有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。 2.熱力學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 容 解 析,有序和無序,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。 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。 有序和無序是相對的。,學員休息時雜亂無章，集合哨一響，隊員迅速歸

4、隊，隊伍整齊劃一。,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)無序程度的大小。如果一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無序 。,熱力學第二定律的微觀意義,下面從統(tǒng)計觀點探討過程的不可逆性微觀意義，并由此深入認識第二

5、定律的本質。,一個被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有4個涂以不同顏色分子。開始時，4個分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴散并在整個容器內無規(guī)則運動。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)計性質（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個分子，則共2N種可能方式，而N個分子全部退回到A部的幾率1/2N.對

6、于真實理想氣體系統(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，意味著此事件永遠不會發(fā)生。從任何實際操作的意義上說，不可能發(fā)生此類事件。,對單個分子或少量分子來說，它們擴散到B部的過程原則上是可逆的。,對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)計解釋。,第二定律的統(tǒng)計表述（依然看前例）,,上邊一列的各種分布僅指出A、B兩邊各有幾個分子，代

7、表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細的分布，具體指明了這個或那個分子各處于A或B哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個微觀態(tài)。,4個分子在容器中的分布對應5種宏觀態(tài)。對應若干種一種宏觀態(tài)微觀態(tài)。不同的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)不同。,均勻分布對應的微觀態(tài)數(shù)最多。全部退回A邊僅對應一種微觀態(tài),統(tǒng)計物理基本假定—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。,,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。,定義熱力學幾率：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學幾率。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，熱力學幾率最大，實際觀測到的可能性或幾率最大。,對于1023個分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學幾率的總和相比，此比值幾乎或實際上為100%。,平衡態(tài)相應于一定宏觀條件下? 最大的狀態(tài)。,熱力學第二定律的統(tǒng)計表述：孤立系統(tǒng)內部所發(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，從熱力學幾率小的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。,自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學幾率增大的方向進行。,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行。,熱力學第二定律的適用范圍,1.適用于宏觀過程對微觀過程不適用，,如布朗運動。,2.孤立系統(tǒng)有限范圍。對整個宇宙不適用,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、生命科學等領域都有重要應

10、用，在不同的學科中也有引申出的更為具體的定義，是各領域十分重要的參量。熵由魯?shù)婪?#183;克勞修斯（Rudolf Clausius）提出，并應用在熱力學中。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。,熱力學第二定律是根據(jù)大量觀察結果總結出來的規(guī)律，有下述表述方式：在孤立系統(tǒng)中，實際發(fā)生的過程總使整個系統(tǒng)的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分機械能不

11、可逆地轉變?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，把兩個物體合起來當成一個系統(tǒng)來看，熵的變化是dS＝dS2+dS1＞0，即熵是增加的。,物理學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。可精確表示為：　　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)內能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。

12、從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。一個系統(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，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,絕對零度：絕對零度是根據(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，當溫度降低到-273.15℃時，氣體的體積將減小到零。如果從分子運動論的觀點出發(fā)，理想氣體分子的平均平動動能由溫度T確定，那么也可以把絕對零度說成是“理想氣體分子停止運動時的溫度”。以上兩種說法都只是一種理想的推理。,課 堂 小 結,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動的無序性增大的方向進行。,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。

14、如果一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無序 。,2、熵的概念,3、熱力學第二定律的微觀解釋,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)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。,課 堂 練 習,1. 一個物體在粗糙的平面上滑動，最后 停止。系統(tǒng)的熵如何變化？,解析：因為物體由于受到摩擦力而停止運動，其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內