人教版高中物理選修(33)105《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》課件

1、第十章 熱力學(xué)定律第5節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 熱力學(xué)第二定律指出，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。在一定條件下，系統(tǒng)有從非平衡態(tài)過渡到平衡態(tài)的自然傾向，這種傾向總是單向不可逆的。從微觀上看，過程的不可逆性與系統(tǒng)的大量分子的無規(guī)則運動是分不開的。今以氣體向真空的自由膨脹為例，用微觀的統(tǒng)計平均方法 ，從本質(zhì)上說明熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義。 1.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。有序和無序 宏觀態(tài)和微觀態(tài)2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定

2、、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)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應(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“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的.氣體真空 以氣體自由膨脹不可逆性來說明 容器左右等體積，左部有氣體，右部為真空。抽去隔板氣體自由膨脹。 系統(tǒng)宏觀態(tài)-用分子左、右兩部分的分配數(shù)目表示 系統(tǒng)微觀態(tài)-用分子處在某一部分的具體情況表示。假定容器中有4個分子的情況，分子是可識別的微觀態(tài)：3、序和微觀態(tài)間關(guān)系14641 分布（宏觀態(tài)） 詳細分布（微觀態(tài)）抽出隔板后，4個分子在容器中可能的分布如圖

3、所示：01234564個粒子分布 左4 右0 左3 右1 左2 右2 左1 右3 左0 右4假設(shè)所有的微觀狀態(tài)其出現(xiàn)的可能性是相同的。4粒子情況，總狀態(tài)數(shù)16， 左4右0 和 左0右4，幾率各為1/16；左3右1和 左1右3 ，幾率各為1/4； 左2右2， 幾率為3/8。 容器中有6個分子， 在容器中的位置可能分布N=1023 ， 微觀狀態(tài)數(shù)目用 表示， 則N/2Nn（左側(cè)粒子數(shù)）n在一定的宏觀條件下，各種可能的宏觀態(tài)中哪一種是實際所觀測到的？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

4、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，實際觀測到的可能性或幾率最大。 所以，實際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所達到的平衡態(tài)。 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(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%。對整個宇宙不適用。如布朗運動。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)向熱力學(xué)幾率大的

5、狀態(tài)過渡。自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進行。4.熱力學(xué)第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。1）適用于宏觀過程對微觀過程不適用，2）孤立系統(tǒng)有限范圍, 為了研究的方便，玻耳茲曼用一個新的狀態(tài)函數(shù)熵 S來表示系統(tǒng)無序性的大小。定義熵與熱力學(xué)概率之間的關(guān)系為： S=kln 其中k為玻耳茲曼常量，上式稱為玻耳茲曼關(guān)系式或玻耳茲曼熵公式。 用熵 S 代替熱力學(xué)概率后，熱力學(xué)第二定律可以表述為：在孤立系統(tǒng)中進行的自發(fā)過程總是沿著熵增加的方向進行，它是不可逆的，平衡態(tài)相應(yīng)于熵最大值的狀態(tài)。熱力學(xué)第二定律的這一表述稱

6、為熵增加原理。 熵的微觀意義：系統(tǒng)內(nèi)分子熱運動無序性的量度。一.熵及熵增原理1玻爾茲曼熵公式： 2熵增原理：孤立系統(tǒng)內(nèi)，熵的數(shù)值永不減小，即： 3熱力學(xué)第二定律的適用范圍大量分子有限的宏觀物質(zhì)系統(tǒng)二 熵概念的重要意義1聯(lián)系熱力學(xué)與統(tǒng)計力學(xué)如平衡態(tài)， 最大，即平衡態(tài)為最可幾趨勢但不是唯一可能趨勢2應(yīng)用范圍非常廣闊 愛因斯坦稱之為“第一法則”；它滲透到許多學(xué)科，與生命、環(huán)境、社會等密切相關(guān)3. 不可逆過程總是向熵增加的方向進行的.因此用增加可判斷進程進行的方向和限度.三熵增加原理與熱力學(xué)第二定律 熵增加原理是把熱現(xiàn)象的不可逆過程進行的方向和限度進行數(shù)量上的描述, 因此它是熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示.

7、熵 熵增加原理 編后語老師上課都有一定的思路，抓住老師的思路就能取得良好的學(xué)習(xí)效果。在上一小節(jié)中已經(jīng)提及聽課中要跟隨老師的思路，這里再進一步論述聽課時如何抓住老師的思路。 根據(jù)課堂提問抓住老師的思路。老師在講課過程中往往會提出一些問題，有的要求回答，有的則是自問自答。一般來說，老師在課堂上提出的問題都是學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵，若能抓住老師提出的問題深入思考，就可以抓住老師的思路。 根據(jù)自己預(yù)習(xí)時理解過的邏輯結(jié)構(gòu)抓住老師的思路。老師講課在多數(shù)情況下是根據(jù)教材本身的知識結(jié)構(gòu)展開的，若把自己預(yù)習(xí)時所理解過的知識邏輯結(jié)構(gòu)與老師的講解過程進行比較，便可以抓住老師的思路。 根據(jù)老師的提示抓住老師的思路。老師在教學(xué)中經(jīng)常有一些提示用語，如“請注意”、“我再重復(fù)一遍”、“這個問題的關(guān)鍵是”等等，這些用語往往體現(xiàn)了老師的思路。來自：學(xué)習(xí)方法網(wǎng) 緊跟老師的推導(dǎo)過程抓住老師的思路。老師在課堂上講解某一結(jié)論時，一般有一個推導(dǎo)過程，如數(shù)學(xué)問題的來龍去脈、物理概念的抽象歸納、語文課的分析等。感悟和理解推導(dǎo)過程是一個投入思維、感悟方法的過程，這有助于理解記憶結(jié)論，也有助于提高分析問題和運用知識的能力。 擱置問題抓住老師的思路。碰到自己還沒有完全理解老師所講內(nèi)容的時候，最好是做個記號，姑且先