高中物理《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》課件三（23張PPT）（新人教版選修3-3）

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歡迎進入物理課堂 2 3 一個 妖精 神通廣大 能跟蹤充滿容器的每個氣體分子的運動 把這個容器用一道隔板分為A B兩部分 并在隔板上安裝一個閥門 當閥門打開時單個氣體分子可以從容器的一部分經(jīng)過閥門進入另一部分去 假設(shè)這個容器開始時完全充滿了一定溫度的氣體 按照熱的動力論 一定的溫度對應(yīng)于分子的一定的平均溫度 因為氣體分子的運動具有隨機性質(zhì) 有的分子的速度將大于平均值 有的則將小于平均值 妖精在適當?shù)臅r候打開閥門 讓快的分子從B進入A 慢的分子從A進入B 結(jié)果不須消耗能量 B部分的溫度就下降 A部分的溫度就上升 熱量可以自發(fā)地從低溫物體流向高溫物體 4 一般的解釋是 妖精必須得到一些 知識 才能把 快 分子和 慢 分子區(qū)分開來 為了獲得這些信息 要不要消耗能量 如果需要 則容器 氣體 隔板 妖精作為封閉系統(tǒng) 為得到所要信息所需的能量 將不大于因利用這一信息而消耗的能量 并沒有違反熱力學(xué)第二定律 麥克斯韋的妖精能破壞熱力學(xué)第二定律嗎 5 自發(fā)總是從有序到無序演化 但是麥克斯韋的妖精可以使其向有序化發(fā)展 酶 就是生命中的麥克斯韋的妖精 而人類全體作為麥克斯韋的妖精 增加著社會的有序度 畢竟 妖精 用通俗的話說 是個生物 也是個信息系統(tǒng) 妖精 就是對宇宙演化的一種抗爭 6 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 7 熱力學(xué)第一定律給出了各種形式的能量在相互轉(zhuǎn)化過程中必須遵循的規(guī)律 但并未限定過程進行的方向 凡符合熱一律的過程 即符合能量守恒的過程是否都能實現(xiàn)呢 實驗表明 自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是有方向性的 熱傳導(dǎo)過程 例如 氣體的絕熱自由膨脹過程 這些典型例子說明自然界的實際過程是按一定的方向進行的 相反方向的過程不能自動發(fā)生 或者說 如果可以發(fā)生 則必然引起其它后果 8 熱力學(xué)第一定律無法對這類問題作出解釋 需要一個獨立于熱力學(xué)第一定律的新的自然規(guī)律 即熱力學(xué)第二定律來解釋 不可能從單一熱源吸取熱量 使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響 功可以完全變熱 但要把熱完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響是不可能的 1851年開爾文總結(jié)出熱力學(xué)過程進行的限度 1 開爾文表述 以熱機為例 熱機的循環(huán)除了熱變功外 還必定有一定的熱量從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?即產(chǎn)生了其它效果 9 熱全部變?yōu)楣Φ倪^程也是有的 如 理想氣體等溫膨脹 但這時引起了其它的變化 開爾文表述否定了熱機效率能達百分這百的可能性 高溫?zé)嵩碩1 0 第二類永動機 單熱機 不能制成 第二類永動機 10 高溫?zé)嵩碩1 低溫?zé)嵩碩2 與之相應(yīng)的經(jīng)驗事實是 當兩個不同溫度的物體相互接觸時 熱量將自動地由高溫物體向低溫物體傳遞 而不可能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體 如果借助制冷機 當然可以把熱量由低溫傳遞到高溫 但要以外界作功為代價 也就是引起了其它變化 克氏表述指明熱傳導(dǎo)過程是有方向的 2 克勞修斯表述 熱量不能自動地從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌淖兓?11 1 從開爾文表述入手 假定單熱機是可以造成的 則 高溫源 低溫源 Q 3 兩種表述是統(tǒng)一的 2 從克勞修斯表述入手 假定熱量能自動地從低溫源傳到高溫源 則單熱機也能造成 熱力學(xué)過程是有方向性的 12 2 可逆過程與不可逆過程 為了進一步研究熱力學(xué)第二定律的含義和熱力學(xué)過程方向性問題 引入可逆過程的概念 一個系統(tǒng) 由一個狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過某一過程達到另一狀態(tài) 如果存在另一個過程 它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原 即系統(tǒng)回到原來狀態(tài) 同時消除了原過程對外界引起的一切影響 則原來的過程稱為可逆過程 單擺運動 一個單擺 如果不受空氣阻力及其它摩擦力 當它離開某一位置后 經(jīng)過一個周期又回到原來的位置而周圍一切都無變化 反之 如果物體不能回復(fù)到原來狀態(tài)或當物體回復(fù)到原來狀態(tài)卻無法消除原過程對外界的影響 則原來的過程稱為不可逆過程 無摩擦和阻力的單擺運動是一個可逆過程 13 單純的無機械能耗散的機械運動過程都是可逆過程 理想氣體絕熱自由膨脹是不可逆的 在隔板被抽去的瞬間 氣體聚集在左半部 這是一種非平衡態(tài) 此后氣體將自動膨脹充滿整個容器 最后達到平衡態(tài) 其反過程由平衡態(tài)回到非平衡態(tài)的過程不可能自動發(fā)生 在熱現(xiàn)象中 可逆過程只有在準靜態(tài)和無摩擦的條件下才有可能 無摩擦準靜態(tài)過程是可逆的 經(jīng)驗和事實表明 自然界中真實存在的過程都是按一定方向進行的 都是不可逆的 理想氣體熱傳導(dǎo)過程是不可逆的 熱量總是自動地由高溫物體傳向低溫物體 從而使兩物體溫度相同 達到熱平衡 從未發(fā)現(xiàn)其反過程 使兩物體溫差增大 14 可逆?zhèn)鳠岬臈l件是 系統(tǒng)和外界溫差無限小 即等溫?zé)醾鲗?dǎo) 氣體的迅速膨脹過程是不可逆的 但是當氣體膨脹非常緩慢又沒有其它摩擦?xí)r 它卻是可逆的 結(jié)論 1 一切自發(fā)過程都是不可逆過程 2 準靜態(tài)過程 無限緩慢 無摩擦的過程是可逆過程 3 一切實際過程都是不可逆過程 可逆過程是一種理想的極限 只能接近 絕不能真正達到 因為 實際過程都是以有限的速度進行 且在其中包含摩擦 粘滯 電阻等耗散因素 必然是不可逆的 15 可逆過程是理想化的過程 強調(diào) 不可逆過程不是不能逆向進行 而是說當過程逆向進行時 逆過程在外界留下的痕跡不能將原來正過程的痕跡完全消除 熱力學(xué)第二定律說明了自然界的實際過程是按一定的方向進行的 是不可逆的 相反方向的過程不能自動發(fā)生 或者說 如果可以發(fā)生 則必然引起其它后果 開氏表述實質(zhì)上在于說明功變熱的過程是不可逆的 熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)在于指出 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的 它所揭示的客觀規(guī)律向人們指出了實際宏觀過程進行的條件和方向 克氏表述實質(zhì)上在于說明熱傳導(dǎo)過程是不可逆的 16 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) 我們認為它處于有序的狀態(tài) 如果處于平衡態(tài) 我們認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 17 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 18 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 19 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) 20 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 21 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 22 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) 23 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 第二定律的嚴密制約 但是 他們又認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 24 感謝的你的耐心 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