5　熱力學(xué)第二定律的微觀解釋

1、第5節(jié) 熱力學(xué)第二定律的 微觀解釋,復(fù)習(xí),熱力學(xué)第二定律的兩種表述：,總結(jié)：任何一類宏觀自然過(guò)程進(jìn)行方向的說(shuō)明都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述.,二、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述： 1.不可能從單一熱庫(kù)吸收，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響. 2.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成,一、熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述： 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.,思考：為什么涉及熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過(guò)程會(huì)有一定的方向性？如何從微觀的角度進(jìn)行解釋說(shuō)明？,投擲硬幣,觀看視頻，你能得到哪些概念？,1.有序和無(wú)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(wú)序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無(wú)序. 無(wú)序意味著各處都一樣，平均

2、、沒(méi)有差別，有序則相反. 有序和無(wú)序是相對(duì)的.,一、有序和無(wú)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、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(wú)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(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的.,觀看視頻，你能得到什么規(guī)律？,投擲硬幣2,思考：如果氣體向真空擴(kuò)散，宏觀態(tài)和微觀態(tài)分別指什么？怎樣是有序？怎樣是無(wú)序？,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

3、統(tǒng)微觀態(tài)-用分子處在某一部分的具體情況表示.,二、氣體向真空的擴(kuò)散,思考：假定容器中有4個(gè)分子，抽出隔板后，4個(gè)分子在容器中具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)？氣體擴(kuò)散后4個(gè)分子分布的最大一種可能和最小一種可能是什么？,分布 （宏觀態(tài)）,詳細(xì)分布 （微觀態(tài)）,抽出隔板后，4個(gè)分子在容器中可能的分布如圖所示,1,6,4,1,4,0,1,2,3,4,5,6,4個(gè)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

4、3/8.,容器中有6個(gè)分子， 在容器中的位置可能分布,思考：通過(guò)以上的分析，能得到什么結(jié)論？,一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行.,熱力學(xué)第二定律的微觀解釋,熵的引入,“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(yǔ)，他用熵來(lái)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(lái)說(shuō)，能量完全均勻地分布，那么這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值.,簡(jiǎn)單的說(shuō)，“熵”就是微觀粒子的無(wú)序程度、能量差別的消除程度.,在克勞修斯看來(lái),在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中,運(yùn)動(dòng)總是從有序到無(wú)序發(fā)展的.,三、熵,比如，把一塊冰糖放入水中，結(jié)果整杯水都甜了.這就

5、是說(shuō)，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(wú)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(lái)，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(shuō)，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(wú)序，能量的差異總是傾向變成均等，也即“熵將隨著時(shí)間而增大”.,玻耳茲曼用熵 S來(lái)表示系統(tǒng)無(wú)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.,熵的微觀意義：系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度.,從微觀的角度看,熱力學(xué)第二定

6、律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)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(wú)序,所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展.,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(jìn)行的自發(fā)過(guò)程總是沿著熵增加的方向進(jìn)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為熵增加原理.,日?，F(xiàn)象與熵增加原理,1.關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說(shuō)法正確的是( ) A.大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng) B.熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程 C.熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú) 序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程 D.一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行,分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度小,熵增加原理,無(wú)序程度大,CD,2.對(duì)于孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過(guò)程，下列說(shuō)法中正確的是( ) A.系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小 B.系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小 C.系統(tǒng)