人教版選修(3-3)《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》教案

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1、最新人教版選修（ 3-3）《熱力學(xué)第二定律的微觀解 釋》教案 【教學(xué)目標(biāo)】 （一）知識(shí)與技能 了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 （二）過程與方法 通過對(duì)微觀狀態(tài)和宏觀狀態(tài)的分析 ,理解熵的意義。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 通過對(duì)熱力學(xué)第二定律微觀意義的探究 ,激發(fā)學(xué)習(xí)物理的動(dòng)力。 教學(xué)重點(diǎn)】 熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 教學(xué)難點(diǎn)】 對(duì)熵和熵增加原理的理解。 教學(xué)方法】 講練法、分析歸納法、閱讀法 教學(xué)用具】 投影儀、投影片 教學(xué)過程】 （一）引入新課 教師：（復(fù)習(xí)提問）用投影片出示下列問題 1．什么是熱傳導(dǎo)的方向性？ 2．機(jī)械能和內(nèi)能之間相互轉(zhuǎn)化的方向性

2、指的是什么？ 3．什么是第二類永動(dòng)機(jī)？為什么第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成？ 4.熱力學(xué)第二定律的兩種表述方式是什么？ 學(xué)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(jì)規(guī)律。本 節(jié)課就要從微觀的角度說明為什么涉及熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過程會(huì)有一定的方向性。 （二）進(jìn)行新課 1.有序和無序宏觀態(tài)與微觀態(tài) 教師：先引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容 ，以“撲克牌”為例，體會(huì)“有序”和“無序”的含 義,從而進(jìn)一步體會(huì)“宏觀態(tài)”和“微觀態(tài)”的含義。 教師：（講解） 當(dāng)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(xué)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

3、統(tǒng)狀態(tài)叫熱力學(xué)系統(tǒng)的微觀 態(tài)。 在熱力學(xué)系統(tǒng)中，由于存在大量粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，任一時(shí)刻各個(gè)粒子處于何種運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)完全是偶然的，而且又都隨時(shí)間無規(guī)則地變化。系統(tǒng)中各個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的每一種分布 ，都 代表系統(tǒng)的一個(gè)微觀態(tài)，系統(tǒng)的微觀態(tài)的數(shù)目是大量的，在任意時(shí)刻系統(tǒng)隨機(jī)地處于其中任意 一個(gè)微觀態(tài)。 下面我們以上圖所示的情況為例來進(jìn)一步加以說明。假設(shè)容器中體積相等的 A、B兩 室內(nèi)具有a、b、c、d 一共4個(gè)全同白^分子，它們?cè)贏、B兩室內(nèi)的分布情況共有 16種方 式。具體分布如下： (0,4) —11T (0,abcd) (l,3) ―4T [ (a,bcd) , (b,acd) ,

4、 (c,abd) , (d,abc)] (2,2) —6T [ (ab,cd) , (ac,bd) , (ad,bc) , (bc,ad) , (bd,ac) , (cd,ab)] (3,l) ―4T [ (bcd,a) , (acd,b) , (abd,c) , (abc,d)[ (4,0) —1T (abcd,0) 上面的分布表達(dá)中，如（2,2）表示一個(gè)宏觀態(tài)（即 A、B兩室內(nèi)各有2個(gè)分子但不區(qū)分 具體分子）而（ab,cd）表示一個(gè)微觀態(tài)（a和b分子在A室內(nèi)6和d分子在B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A、B兩室各有2個(gè)分子的 宏觀態(tài)包含的微

5、觀態(tài)數(shù)目最多（6個(gè)）而以4個(gè)分子全部分布在 A室或全部分布在 B室的 宏觀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)目最少（都是 1個(gè)）。 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。 2 .氣體向真空的擴(kuò)散 教師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。 教師講解：一個(gè)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(gè)分子右室為 真空,撤去擋板后，氣體由左向右擴(kuò)散，由于各個(gè)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(gè)室中，另一個(gè)室變成真 空的可能性小。而實(shí)際上 ，氣體系統(tǒng)中分子個(gè)數(shù)相當(dāng)多 ，因此，撤去擋板后

6、實(shí)際上我們只能看 到氣體向真空中擴(kuò)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(xué)系統(tǒng)是由大量作無序運(yùn)動(dòng)的分子組成的 ，因?yàn)槿魏螣崃W(xué)過程 都伴隨著分子的無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化 ，當(dāng)撤去擋板的一瞬間，分子仍聚集在左室，對(duì)于左右兩 室這一個(gè)整體來講，這顯然是一種高度有序的分布 ，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就變得 無序了，因此，氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的 ，因此，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。 這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 3 .嫡 教師：教師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。 教師講解：對(duì)于由大量分子構(gòu)成的系統(tǒng)而言

7、 ，宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)目往往很大 ，這不利 于實(shí)際計(jì)算。為此，玻耳茲曼引進(jìn)了嫡的概念 ，并定義系統(tǒng)的嫡為 S芯ln ◎，后來普朗克把它 寫成S=kln "式中k叫做玻耳茲曼常數(shù)，S為系統(tǒng)的嫡，◎?yàn)橐粋€(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)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(gè)孤立系統(tǒng)的總 嫡不會(huì)減小。從微觀角度看 ，熱力學(xué)的第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從嫡小 的狀態(tài)向嫡大的狀態(tài)發(fā)展，而嫡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(xué)第二定律又叫做嫡增加原理。 （三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 3 / 5

8、 而嫡也隨著熱力學(xué)第二定律的提出在 19世紀(jì)中期登上了舞臺(tái)。當(dāng)時(shí)，克勞修斯正在研 分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。 在熱力學(xué)中 ,引入了熵的概念后 ,熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理：在任何自然過程中 一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小。 ★ 課余作業(yè) 完成 P80 “問題與練習(xí)”的題目。課下閱讀教材 79 頁“科學(xué)漫步”。 ★ 教學(xué)體會(huì) 思維方法是解決問題的靈魂 ,是物理教學(xué)的根本；親自實(shí)踐參與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng) 學(xué)生能力的關(guān)鍵 ,離開了思維方法和實(shí)踐活動(dòng) ,物理教學(xué)就成了無源之水、無本之木。學(xué)生素 質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花 ,水中月。 資料袋： 淺說熵 嫡這個(gè)概念最早是由

9、德國的物理學(xué)家克勞修斯最早提出的 ，英文寫法是 Entropy,后來當(dāng) 時(shí)任浙大教授的胡剛復(fù)再翻譯這個(gè)詞的時(shí)候?qū)懗闪遂?,一直沿用至今。 熵的提出是熱力學(xué)發(fā)展的結(jié)果 ,也被認(rèn)為是熱力學(xué)發(fā)展史上的一塊里程碑。 牛頓發(fā)表了偉大的力學(xué)三定律后 ,歐洲的工業(yè)革命開啟了熱學(xué)發(fā)展的春天 ,而在這個(gè)春天 開放的第一朵鮮花就是蒸汽機(jī) ,隨著瓦特蒸汽機(jī)的問世不僅宣告了熱機(jī)時(shí)代的到來 ,也開始了 人們對(duì)熱機(jī)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——熱力學(xué)第一定律。再向 后 ,法國年輕的工程師卡諾將對(duì)熱機(jī)的研究向前推進(jìn)了一大步 ,他提出的兩個(gè)著名推論 ,熱機(jī) 的卡諾循環(huán)為后

10、來者打下了堅(jiān)實(shí)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(gè)結(jié)論就是關(guān)于熱力學(xué)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(gè)物體的溫度降到絕對(duì)零度。此即熱力 學(xué)第三定律。 究熱機(jī)循環(huán)，他試圖找到一個(gè)量在熱機(jī)循環(huán)再回到原狀態(tài)時(shí)保持不變。最后他發(fā)現(xiàn)了這個(gè)關(guān) 系：系統(tǒng)內(nèi)含的熱量與絕對(duì)溫度的比值不變 ，即9Q =。。于是他定義一個(gè)系統(tǒng)的嫡： T 八 Q …一 ，…、…，，，…、，，一…… S=

11、——。自從這個(gè)新玩意被提出來以后 ，許多科學(xué)家都開始了對(duì)它意義的研究?？藙谛匏? T 指出：嫡是一個(gè)狀態(tài)量，只有當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的溫度、壓強(qiáng)等趨于穩(wěn)定均勻的時(shí)候才有意義。 1877年，波爾茲曼在一篇方程論文中運(yùn)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法第一次將嫡和概率聯(lián)系在了一 起，這就是著名的波爾茲曼方程： S = klnW （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，并指出所謂嫡對(duì)應(yīng)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(duì)嫡有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)：墉代表了系統(tǒng)的混亂程度 ，嫡越大分子

12、的 分布越趨于無序。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng) ，嫡會(huì)自發(fā)性的增大。從微觀上看 ，自發(fā)的熱力學(xué)過程總是使 分子由有序走向無序。這就是著名的嫡增加原理。 在嫡增原理提出后，克勞修斯將其推廣到了整個(gè)宇宙 ，并提出了 一個(gè)似乎頗為嚴(yán)密的推 理：由于宇宙中各個(gè)變化均向著無序的方向進(jìn)行 ，宇宙的離散度不斷增加，最終宇宙會(huì)變成一 個(gè)巨大的無線電輻射場，而且宇宙中所有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng) ，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(jìn)入二十世紀(jì)后 ，熱力學(xué)得到了長足的發(fā)展，人 們對(duì)嫡也有了新的認(rèn)識(shí)，經(jīng)典熱力學(xué)認(rèn)為嫡只有在平衡態(tài)時(shí)才有意義 ，而隨著非平衡態(tài)理論的 建立，人們逐漸意識(shí)到系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí) ，由于其約束條件超過了某個(gè)臨界值 ，系統(tǒng)會(huì)變的 非常不穩(wěn)定，這時(shí)任何一個(gè)微小的擾動(dòng)都會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)離平衡態(tài)更遠(yuǎn)的穩(wěn)定狀態(tài) ，這樣自 發(fā)形成的有序結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)的提出以及后來的混沌理論逐漸向我們展示了 宇宙的復(fù)雜及不確定，原始經(jīng)典的嫡已經(jīng)顯得力不從心。但科學(xué)終究是發(fā)展的 ，任何理論現(xiàn)有 的缺陷及不足都將是它們完善的突破口。 相信在新世紀(jì)里，嫡能帶給我們更多驚喜。 5 / 5