高中物理《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》課件一（9張PPT）（新人教版選修3-3）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 2 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 3 不可逆過程的統(tǒng)計性質(zhì) 以氣體自由膨脹為例 下面從統(tǒng)計觀點探討過程的不可逆性微觀意義 并由此深入認(rèn)識第二定律的本質(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 對于一個熱力學(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) 首先理解有序和無序的概念 一個被隔板分為A B相等兩部分的容器 裝有4個涂以不同顏色分子 3 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義 熱力學(xué)第二定律的微觀意義 4 開始時 4個分子都在A部 抽出隔板后分子將向B部擴散并在整個容器內(nèi)無規(guī)則運動 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 5 微觀態(tài)共有24 16種可能的方式 而且4個分子全部退回到A部的可能性即幾率為1 24 1 16 一般來說 若有N個分子 則共2N種可能方式 而N個分子全部退回到A部的幾率1 2N 對于真實理想氣體系統(tǒng)N 1023 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)不會發(fā)生 從任何實際操作的意義上說 不可能發(fā)生此類事件 對單個分子或少量分子來說 它們擴散到B部的過程原則上是可逆的 對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說 它們向B部自由膨脹的宏觀過程實際上是不可逆的 這就是宏觀過程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計解釋 6 第二定律的統(tǒng)計表述 依然看前例 4個分子在容器中的分布對應(yīng)5種宏觀態(tài) 左邊一列的各種分布僅指出A B兩邊各有幾個分子 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 具體指明了這個或那個分子各處于A或B哪一邊 代表的是系統(tǒng)的任意一個微觀態(tài) 一種宏觀態(tài)對應(yīng)若干種微觀態(tài) 不同的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)不同 均勻分布對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多 全部退回A邊僅對應(yīng)一種微觀態(tài) 7 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(dá)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 8 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 適用于宏觀過程對微觀過程不適用 2 孤立系統(tǒng)有限范圍 9 可愛的熵物理學(xué)中有個熵定律 也就是著名的熱力學(xué)第二定律 熵 的名稱是由德國物理學(xué)家道爾夫 克勞修斯于1868年造出來的 它代表著宇宙中不能再被轉(zhuǎn)化做功的能量的總和的測定單位 即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 但它同時也意味著生命本身的展開 不論是有機的 還是無機的生命 卡農(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)地沿著一個方向轉(zhuǎn)化 即從對人類來說是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài) 10 有效能量告罄時 是 熱寂 死寂的熱平衡狀態(tài) 有效物質(zhì)耗盡時 是一片 物質(zhì)混亂 整個宇宙的大混亂和大混沌 古羅馬詩人賀拉斯說 時間磨滅了世界的價值 可謂一語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 人類參與的每一項物質(zhì)活動都受到熱力學(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河中的一條逆流之舟 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全