高中物理之熱力學(xué)第二定律的微觀知識(shí)點(diǎn)

1、高中物理之熱力學(xué)第二定律的微觀知識(shí)點(diǎn)熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆的。熱功轉(zhuǎn)換回J不完全執(zhí)八、，熱傳導(dǎo)自發(fā)擴(kuò)散過程 V .，V + AK外力壓縮熱力學(xué)定律（第零定律：熱平衡定律（測(cè)溫依據(jù)）第一定律：AU=Q + W （否定第一類永動(dòng)機(jī)）表述一：熱傳導(dǎo)的宏觀方向性第二定律，“表述三：燧增加原理（孤立系統(tǒng)有常發(fā)無序）第三定律：無法冷卻到絕對(duì)零度273.15七 X1 .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。2 .宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài)：符合

2、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 的方向性一一從有序到無序。3 .熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義對(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)為它處于無序的狀態(tài)。 在熱力學(xué)中，序：區(qū)分度。熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行。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)第二定律

3、的本質(zhì)。不可逆過程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)一一以氣體自由膨脹為例一個(gè)被隔板分為A、B相等兩部分的容器，裝有 4個(gè)涂以不 同顏色的氣體分子。開始時(shí)，4個(gè)分子都在A部，抽由隔板后分子將向 B部擴(kuò)散 并在整個(gè)容器內(nèi)無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。隔板抽由后，4個(gè)氣體分子在容器中可能的分布情形宏觀分布微觀狀態(tài)微觀態(tài)數(shù)Q微觀態(tài)共有2J16 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/24=1/16。宏現(xiàn)命布就觀狀態(tài)但凰態(tài)敕Q般來說，若有N個(gè)分子，則共有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。此數(shù)值極小, 意味著此事件永遠(yuǎn)不

4、會(huì)發(fā)生。熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)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。不可逆過程的本質(zhì)系統(tǒng)從熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行的過程。自發(fā)過程的規(guī)律：概率小的狀態(tài)（有序）f概率大的狀態(tài)（混亂）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Q。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(cè)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

5、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%。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)生的過程總是從微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向微觀態(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。S=klnQ 熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣， 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)來看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無序 （混亂）程度的定量量度。熵增加原理：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵是不會(huì)減少的。平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下Q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

6、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。4 .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。5 . 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，他用熵來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)來說，能量完全均勻地分布，那么這個(gè)系統(tǒng)的嫡就達(dá)到最大值。簡(jiǎn)單的說，“嫡”就是微觀粒子的無序程度、能量差別的消 除程

7、度。在克勞修斯看來，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)總是從有序到 無序發(fā)展的。比如，把一塊冰糖放入水中，結(jié)果整杯水都甜了。這就是說, 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，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，自然界中的一個(gè)普遍規(guī)律是：運(yùn)動(dòng)總是從 有序到無序，能量的差異總是傾向變成均等，也即“嫡將隨 著時(shí)間而增大”?？蓯鄣牡瘴锢韺W(xué)中有個(gè)嫡定律，也就是著名的熱力學(xué)第二定律。嫡的 增加表示宇宙物質(zhì)的日益混亂和無序

8、，是無效能量的總和。嫡本身既不是好事，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不論是有機(jī)的，還是無 機(jī)的生命?？ㄞr(nóng)、喬治梅特勒的大爆炸學(xué)說也認(rèn)為，宇宙 是以有序的狀態(tài)開始，不斷地向無序狀態(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)人類來說是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài)。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。古羅馬詩人賀拉斯說： “時(shí)間磨滅了世界的價(jià)值！可謂一語道破了

9、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！人類精神的無限發(fā)展，是不可抗拒的熵增大長(zhǎng)河中的一條逆流之舟！習(xí)題演練1. 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)過程不具有方向性D.在自發(fā)地條件下熱量的傳導(dǎo)過程具有方向性2. 一個(gè)物體在粗糙的平面上滑

10、動(dòng)， 最后停止。 系統(tǒng)的熵如何變化?3. 下面關(guān)于嫡的說法錯(cuò)誤的是（）A.嫡是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序程度的量度B.在孤立系統(tǒng)中，一個(gè)自發(fā)的過程總是向嫡減少的方向進(jìn) 行C.熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是嫡是增加的，因此熱力學(xué) 第二定律又叫嫡增加原理D.嫡值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無序習(xí)題解析1 . BD我們知道，一切自發(fā)過程都有方向性，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一冷 凍食品傳向高溫物體一周圍的大氣。所以，在回答熱力學(xué)過 程的方向問題時(shí)，要區(qū)分是自發(fā)過程還是非自發(fā)過程，電冰 箱內(nèi)熱量傳遞的過程是有外界參與的。本題答案是A錯(cuò)B對(duì)C錯(cuò)D對(duì)2 .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)分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，使得無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。3. B 熱力學(xué)第二定律提示：一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無 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)能的過程是大量分子的有序運(yùn)動(dòng)向無序運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)