熱力學第二定律的微觀解釋教學設(shè)計

10.5熱力學第二定律的微觀解釋教學設(shè)計教學目標：（一）知識與技能了解熱力學第二定律的微觀意義。（二）過程與方法通過對微觀狀態(tài)和宏觀狀態(tài)的分析，理解燧的意義。（三）情感、態(tài)度與價值觀通過對熱力學第二定律微觀意義的探究，激發(fā)學習物理的動力。教學重點：熱力學第二定律的微觀意義。教學難點：對嫡和烯增加原理的理解。教學方法：講練法、分析歸納法、閱讀法教學用具：投影儀、投影片教學過程：（一）引入新課教師：（復習提問）用投影片出示下列問題.什么是熱傳導的方向性？.機械能和內(nèi)能之間相互轉(zhuǎn)化的方向性指的是什么？.什么是第二類永動機？為什么第二類永動機不可能制成？.熱力學第二定律的兩種表述方式是什么？學生思考回答后，教師指出：系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)源于組成系統(tǒng)的微觀粒子的統(tǒng)計規(guī)律。本節(jié)課就要從微觀的角度說明為什么涉及熱運動的宏觀過程會有一定的方向性。（二）進行新課.有序和無序宏觀態(tài)與微觀態(tài)教師：先引導學生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容，以“撲克牌”為例，體會“有序”和“無序”的含義，從而進一步體會“宏觀態(tài)”和“微觀態(tài)”的含義。教師：(講解)當我們以系統(tǒng)的分子數(shù)分布而不區(qū)分具體的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫熱力學系統(tǒng)的宏觀態(tài)；如果使用分子數(shù)分布并且區(qū)分具體的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫熱力學系統(tǒng)的微觀態(tài)。在熱力學系統(tǒng)中，由于存在大量粒子的無規(guī)則熱運動，任一時刻各個粒子處于何種運動狀態(tài)完全是偶然的，而且又都隨時間無規(guī)則地變化。系統(tǒng)中各個粒子運動狀態(tài)的每一種分布，都代表系統(tǒng)的一個微觀態(tài)，系統(tǒng)的微觀態(tài)的數(shù)目是大量的，在任意時刻系統(tǒng)隨機地處于其中任意一個微觀態(tài)。下面我們以上圖所示的情況為例來進一步加以說明。假設(shè)容器中體積相等的/、夕兩室內(nèi)具有a、b、c、d一共4個全同的分子，它們在/、夕兩室內(nèi)的分布情況共有16種方式。具體分布如下：(0,4)—^―>(0,abed)(1,3)—[(3,bed),1b,acd),(c,abd),(d,abc)](2,2)—[{ab,cd),(ac,bd),(ad,be),(be,ad),(bd,ac),(cd,am](3,1)—[(bed,a),(acd,b),(abd,c),(abc,d)](4,0)—{abed,0)上面的分布表達中，如(2,2)表示一個宏觀態(tài)(即45兩室內(nèi)各有2個分子但不區(qū)分具體分子)而(ab,c中表示一個微觀態(tài)(a和6分子在/室內(nèi)，。和d分子在8室內(nèi))由上表可清楚地看出，不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中以4、夕兩室各有2個分子的宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)目最多(6個)而以4個分子全部分布在A室或全部分布在月室的宏觀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)目最少(都是1個）。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。.氣體向真空的擴散教師：引導學生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。教師講解：一個箱子被擋板分為左、右兩室，假設(shè)左室氣體只有a,b,c,d4個分子，右室為真空，撤去擋板后，氣體由左向右擴散，由于各個微觀態(tài)出現(xiàn)的概率是一樣的，從宏觀上看，我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子重新集中在一個室中，另一個室變成真空的可能性小。而實際上，氣體系統(tǒng)中分子個數(shù)相當多，因此，撤去擋板后實際上我們只能看到氣體向真空中擴散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室的現(xiàn)象。從無序的角度上看，熱力學系統(tǒng)是由大量作無序運動的分子組成的，因為任何熱力學過程都伴隨著分子的無序運動狀態(tài)的變化，當撤去擋板的一瞬間，分子仍聚集在左室，對于左右兩室這一個整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當氣體分子自由擴散后，氣體系統(tǒng)就變得無序了，因此，氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的，因此，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。這就是熱力學第二定律的微觀意義。.埔教師：引導學生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。教師講解：對于由大量分子構(gòu)成的系統(tǒng)而言，宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)目往往很大，這不利于實際計算。為此，玻耳茲曼引進了焙的概念，并定義系統(tǒng)的炳為SoclnQ,后來普朗克把它寫成S=kin。，式中A叫做玻耳茲曼常數(shù)，S為系統(tǒng)的燧，。為一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)數(shù)目。引入嫡后，關(guān)于自然過程的方向性就可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總夕商不會減小。從微觀角度看，熱力學的第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律。一個孤立系統(tǒng)總是從燧小的狀態(tài)向牖大的狀態(tài)發(fā)展，而牖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度更大的方向發(fā)展。因此，熱力學第二定律又叫做燧增加原理。（三）課堂總結(jié)、點評這節(jié)課我們學習了熱力學第二定律的微觀意義。從微觀上解釋，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。在熱力學中，引入了熠的概念后，熱力學第二定律又稱為燧增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熠不會減小。作業(yè)完成P66”問題與練習”的題目。課下閱讀教材65頁“科學漫步”。★資料袋：淺說烯焙這個概念最早是由德國的物理學家克勞修斯最早提出的，英文寫法是Entropy,后來當時任浙大教授的胡剛復再翻譯這個詞的時候?qū)懗闪说?，一直沿用至今。端的提出是熱力學發(fā)展的結(jié)果，也被認為是熱力學發(fā)展史上的一塊里程碑。牛頓發(fā)表了偉大的力學三定律后，歐洲的工業(yè)革命開啟了熱學發(fā)展的春天，而在這個春天開放的第一朵鮮花就是蒸汽機，隨著瓦特蒸汽機的問世不僅宣告了熱機時代的到來，也開始了人們對熱機循環(huán)的研究。德國的一位醫(yī)生邁爾最早總結(jié)出了：能量守恒及轉(zhuǎn)化定律一一熱力學第一定律。再向后，法國年輕的工程師卡諾將對熱機的研究向前推進了一大步，他提出的兩個著名推論，熱機的卡諾循環(huán)為后來者打下了堅實的基礎(chǔ)。1850年，克勞修斯總結(jié)出：不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。1851年英國的開爾文勛爵又提出了：不可能從單一熱源吸收熱量使之完全轉(zhuǎn)化為有用功而不引起其他變化。上述兩個結(jié)論就是關(guān)于熱力學第二定律的最早描述。1906年，又是一位德國人斯脫提出了不可能把一個物體的溫度降到絕對零度。此即熱力學第三定律。而端也隨著熱力學第二定律的提出在19世紀中期登上了舞臺。當時，克勞修斯正在研究熱機循環(huán)，他試圖找到一個量在熱機循環(huán)再回到原狀態(tài)時保持不變。最后他發(fā)現(xiàn)了這個關(guān)系：系統(tǒng)內(nèi)含的熱量與絕對溫度的比值不變，即些=0。T于是他定義一個系統(tǒng)的燧：5=也。自從這個新玩意被提出來以后，許多科學T家都開始了對它意義的研究?？藙谛匏怪赋觯红菔且粋€狀態(tài)量，只有當一個系統(tǒng)的溫度、壓強等趨于穩(wěn)定均勻的時候才有意義。1877年，波爾茲曼在一篇方程論文中運用統(tǒng)計力學的方法第一次將炳和概率聯(lián)系在了一起，這就是著名的波爾茲曼方程：S=k]nW（k：波爾茲曼常數(shù)；W代表系統(tǒng)內(nèi)一定宏觀態(tài)中可能存在的分子組態(tài)數(shù)，通常稱為“微觀量”）。波爾茲曼方程將宏觀態(tài)和微觀態(tài)聯(lián)系在了一起，并指出所謂燧對應著分子分布的概率。分子分布總是自發(fā)向概率最大的狀態(tài)，即平衡態(tài)改變?，F(xiàn)在我們可以對燧有一個感性的認識：熠代表了系統(tǒng)的混亂程度，端越大分子的分布越趨于無序。對于一個系統(tǒng)，燧會自發(fā)性的增大。從微觀上看，自發(fā)的熱力學過程總是使分子由有序走向無序。這就是著名的烯增加原理。在嫡增原理提出后，克勞修斯將其推廣到了整個宇宙，并提出了一個似乎頗為嚴密的推理：由于宇宙中各個變化均向著無序的方向進行，宇宙的離散度不斷增加，最終宇宙會變成一個巨大的無線電輻射場，而且宇宙中所有的機械運動會轉(zhuǎn)化為熱運動，熱量停止傳遞。如此宣告宇宙末日的理論一提出便引起了軒然大波。進入二十世紀后，熱力學得到了長足的發(fā)展，人們對端也有了新的認識，經(jīng)典熱力學認為嫡只有在平衡態(tài)時才有意義，而隨著非平衡態(tài)理論的建立，人們逐漸意識到系統(tǒng)在遠離平衡態(tài)時，由于其約束條件超過了某個