熱力學(xué)第二定律的微觀解釋.ppt

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1、第 5節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 第十章 熱力學(xué)定律 人教版選修 3-3 1.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

2、向性 從有序到無序。 不可逆過程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì) （以氣體自由膨脹為例） 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 律的本質(zhì)。 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。 在熱力學(xué)中， 序：區(qū)分度。 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)。 一個(gè)被隔板分為 A、 B相等兩部分的容器，裝有 4個(gè)涂以不同顏色分子。 3.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 分布 （宏觀態(tài)） 詳細(xì)分布 （微觀態(tài)） 1 4 6 4 1 開始時(shí)， 4個(gè)分子都在 A部，抽出隔板后分子將向 B部

3、擴(kuò)散并在整個(gè)容器內(nèi) 無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。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： A B 微觀態(tài)共有 24=16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 1/24=1/16。 一般來說，若有 N個(gè)分子，則共 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 的幾率為 。此數(shù)值極小，意味著此事件永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。從任何實(shí)際操 作的意義上說，不可能發(fā)生此類事件。 231021 對(duì)單個(gè)分子或少量分子來說，它們擴(kuò)散到 B部的過程原則上是可逆的。 對(duì)大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向 B部自由膨

4、脹的宏觀過程實(shí)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(jì)解釋。 第二定律的統(tǒng)計(jì)表述 （依然看前例） 4個(gè)分子在容器中的分布對(duì)應(yīng) 5種宏觀態(tài)。 分布 （宏觀態(tài)） 詳細(xì)分布 （微觀態(tài)） 左邊一列的各種分布僅指出 A、 B兩邊各有幾個(gè)分子，代表的是系統(tǒng)可能 的宏觀態(tài)。中間各列是詳細(xì)的分布，具體指明了這個(gè)或那個(gè)分子各處于 A或 B 哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個(gè)微觀態(tài)。 一種宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)若干種微觀態(tài)。 在一定的宏觀條件下，各種可能的宏觀態(tài)中哪一種 是實(shí)際所觀測(cè)到的？ 不同的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)不同。 均勻分布對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多。 全部退回 A邊僅對(duì)應(yīng)一種微觀態(tài)。 統(tǒng)計(jì)物理基本假定 等幾率原

5、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 。 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。 所以，實(shí)際觀測(cè)到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所達(dá)到的 平衡態(tài)。 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(duì)整個(gè)宇宙不適用。 如布朗運(yùn)動(dòng)。 平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下

6、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。 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(jìn)行。 1）適用于宏觀過程對(duì)微觀過程不適用， 2）孤立系統(tǒng)有限范圍。 4.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(yǔ)，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

7、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)的熵就達(dá)到最大值。 簡(jiǎn)單的說， “ 熵 ” 就是微觀粒子的無序程度、能量差別的消除程度。 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)

8、總是從有序到無 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 ” 。 熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(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。 S=Kln 一個(gè)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(duì)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(xué)第二定律是一個(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。 可愛的熵 物理學(xué)中有個(gè)熵

9、定律，也就是著名的熱力學(xué)第二定律。 熵的增加表示宇宙物質(zhì)的日益混亂和無序，是無效能量的總和。熵本身既 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?利用的狀態(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

10、亂 ” 整個(gè)宇宙的大混亂和大 混沌。 古羅馬詩(shī)人賀拉斯說： “ 時(shí)間磨滅了世界的價(jià)值！ ” 可謂一語(yǔ)道破 了熵定律的真諦。 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！ 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

11、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 精與解 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 冷凍食品傳向高溫物體 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)。 BD 2.一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？

12、 解析：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.下面關(guān)于熵的說法錯(cuò)誤的是 A熵是物體內(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)的過程總是向熵減少的方向進(jìn)行 C熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是熵是增加的，因此熱力學(xué)第二定律又叫熵 增加原理 D熵值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無序 精與解 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)化，氣缸內(nèi)燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功燃?xì)?分子

13、作有序運(yùn)動(dòng)，排出氣缸后作越來越無序的運(yùn)動(dòng)。 物理學(xué)中用熵來描述系統(tǒng)大量分子運(yùn)動(dòng)的無序性程度。熱力學(xué)第二定 律用熵可表述為：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，也 就是說，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。反映了 一個(gè)孤立系統(tǒng)的自然過程會(huì)沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。 B 4.關(guān)于有序和無序下列說法正確的是（ ） A有序和無序不是絕對(duì)的 B一個(gè) “ 宏觀態(tài) ” 可能對(duì)應(yīng)著許多的 “ 微觀態(tài) ” C一個(gè) “ 宏觀態(tài) ” 對(duì)應(yīng)著唯一的 “ 微觀態(tài) ” D無序意味著各處一樣、平均、沒有差別 ABD 5.根據(jù)熱力學(xué)第二定律判斷，下列說法正確的是（ ） A內(nèi)能可以自發(fā)的轉(zhuǎn)

14、變成機(jī)械能 B擴(kuò)散的過程完全可逆的 C火力發(fā)電時(shí)，燃燒物質(zhì)的內(nèi)能不可以全部轉(zhuǎn)化為電能 D熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體 CD 6.倒一杯熱水，然后加入適當(dāng)?shù)奶呛?，糖?huì)全部溶于水中，但一段時(shí)間后又 觀察到杯底部有糖結(jié)晶，關(guān)于這個(gè)過程下列敘述正確的是（ ） A溶解過程是自發(fā)的，結(jié)晶過程也是自發(fā)的，因此熱力學(xué)第二定律是錯(cuò)誤 的 B溶解過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程 C結(jié)晶過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程 D結(jié)晶過程不是自發(fā)的，因?yàn)橛型饨绲挠绊?BD 7.下列說法正確的是 ( ) A如果大量分子的集合從 A分布進(jìn)入 B分布的概率大于從 B分布進(jìn)入 A分布， 則 B分布更無序 B如果大量分子的集合從 A

15、分布進(jìn)入 B分布的概率大于從 B分布進(jìn)入 A分布， 則 A分布更無序 C大量分子的集合能自發(fā)地從 A分布進(jìn)入 B分布，則該過程是可逆的 D大量分子的集合能自發(fā)地從 A分布進(jìn)入 B分布，則該過程是不可逆的 AD 8.一個(gè)密閉的容器內(nèi)有稀薄氣體，在容器上開一個(gè)小口，外部的空氣 就會(huì)流入容器，在氣體流入過程中，容器內(nèi)靠近開口處的空氣密度暫 時(shí)變得比內(nèi)部大，以下說法正確的是（ ） A此時(shí)容器內(nèi)氣體處于一個(gè)不平衡狀態(tài)，是一個(gè)最無序的狀態(tài) B外界的影響破壞了容器內(nèi)氣體的平衡 C上面事實(shí)說明熱力學(xué)第二定律只適用于封閉系統(tǒng) D對(duì)一個(gè)開放系統(tǒng)并不一定是最無序的分布 BCD 9.下列說法正確的是（ ） A熱力學(xué)第

16、二定律只在一定前提條件下才能成立 B熱力學(xué)第二定律揭示了一切自然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 C能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性 D熱力學(xué)第二定律揭示了有大量分子參與宏觀過程的方向性 BCD 10.從微觀角度看（ ） A熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律 B一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵大的狀態(tài)向熵小的狀態(tài)發(fā)展 C一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)越多，越是無序，熵值越大 D出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大 ACD 11.下列說法正確的是（ ） A與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程是有方向性的 B與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程是熵增加的過程 C氣體擴(kuò)散現(xiàn)象向著無序性增加的方向進(jìn)行 ,是可逆過程 D機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是系統(tǒng)的熵增加的過程 ABD