高二物理选修3-3_105_热力学第二定律的微观解释_LI.ppt

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1、克劳修斯和开尔文说法的等价热机热机 高温热源（高温热源（T1）低温热源（低温热源（T2）Q1Q1+Q2热机热机高温热源（高温热源（T2）低温热源（低温热源（T1）Q2Q2Q2W违反了开尔文表述也就违反了克劳修斯表述违反了开尔文表述也就违反了克劳修斯表述Q1=W,违背开尔文说法违反了违反了克劳修斯克劳修斯表述也就违反了开尔文表述表述也就违反了开尔文表述Q1Q1热机热机 高温热源（高温热源（T1）低温热源（低温热源（T2）WQ1-Q2热机热机低温热源（低温热源（T2）Q1Q2W=Q1-Q2克劳修斯和开尔文说法的等价第十章热力学定律高中物理选修33热功转换热功转换完全完全功功不完全不完全热热非自发传

2、热非自发传热 自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体热传导热传导自由扩散自由扩散VVV自发自发外力压缩外力压缩为什么涉及热运动的宏观过程会有方向性为什么涉及热运动的宏观过程会有方向性?一、有序和无序一、有序和无序1.有序：只要确定了某种规则，符合这个有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。规则的就叫做有序。2.无序：不符合某种确定规则的称为无序。无序：不符合某种确定规则的称为无序。3.无序意味着各处都一样，平均、没有差无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。别，有序则相反。4.有序和无序是相对的。有序和无序是相对的。v扑克、排队扑克、排队二、宏观态和微观态二、宏

3、观态和微观态1.宏观态：从总体上观察，对系统个体不宏观态：从总体上观察，对系统个体不予区分的状态予区分的状态2.微观态：从微观上看，对系统内的个体微观态：从微观上看，对系统内的个体加以区分的状态加以区分的状态v“宏观态宏观态”可能包含一种或几种可能包含一种或几种“微观态微观态”,不同不同“宏观态宏观态”对应对应“微观态微观态”的个数不同。的个数不同。“宏观态宏观态”对应的对应的“微观态微观态”较多，就说这个较多，就说这个“宏观态宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性程的方向性从有序到无序从有序到无序。以气体自由膨胀为例以气体自由膨胀为例n一个被隔板分

4、为一个被隔板分为A A、B B相等两部分的容器，相等两部分的容器，装有装有4 4个涂以不同颜色的气体分子。个涂以不同颜色的气体分子。n 开始时，开始时，4 4个分子都在个分子都在A A部，抽部，抽出隔板后分子将向出隔板后分子将向B B部扩散并在整个容部扩散并在整个容器内无规则运动。器内无规则运动。 4 4分子在容器中可分子在容器中可能的分布情形如下图所示：能的分布情形如下图所示：AB三、热力学第二定律的统计意义三、热力学第二定律的统计意义n隔板抽出后，隔板抽出后，4 4个气体分子在容器中可能的分布情形个气体分子在容器中可能的分布情形宏观分布宏观分布微观状态微观状态 微观态数微观态数14461n

5、微观态共有微观态共有2 24 4=16=16种可能的方种可能的方式，而且式，而且4 4个分子个分子全部退回到全部退回到A A部的部的可能性即几率为可能性即几率为1/21/24 4=1/16=1/16。n一般来说，若有一般来说，若有N N个分子，则共有个分子，则共有2 2N N 种可能方式，种可能方式，而而N N个分子全部退回到个分子全部退回到A A部的几率部的几率1/21/2N N. .对于真实理对于真实理想气体系统想气体系统N N 10102323/mol/mol，这些分子，这些分子全部退回到全部退回到A A部部的几率为的几率为 。此数值极小，意味着此事件永。此数值极小，意味着此事件永远不会

6、发生。远不会发生。231021在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的？一种是实际所观测到的？各种宏观态不是等几率的。哪种宏观态包含的微观各种宏观态不是等几率的。哪种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。态数多，这种宏观态出现的可能性就大。对热力学系统进行观察，我们看到的总是粒子数分对热力学系统进行观察，我们看到的总是粒子数分布均匀的宏观态，即热力学中的平衡态布均匀的宏观态，即热力学中的平衡态均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。几

7、率最大，实际观测到的可能性或几率最大。1、热力学第二定律的微观意义：、热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。性增大的方向进行。2、不可逆过程的本质：、不可逆过程的本质：系统从热力学概率小的状态向热力学概率系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程。大的状态进行的过程。3、自发过程的规律：、自发过程的规律：概率小的状态概率小的状态(有序有序)概率大的状态概率大的状态(混乱混乱)如何定量描述宏观态的无序性？如何定量描述宏观态的无序性？三、热力学第二定律的统计意义三、热力学第二定律的统计意义四、熵四、熵1、18

8、77年，玻耳兹曼引入年，玻耳兹曼引入熵熵，表示系统无序性，表示系统无序性的大小的大小 Sln表示某一宏观态所对应的微观态数目表示某一宏观态所对应的微观态数目，称为，称为该宏观态的热力学概率。该宏观态的热力学概率。越大，宏观态出现的概率越大，无序度越大越大，宏观态出现的概率越大，无序度越大2、1900年，普朗克引入系数年，普朗克引入系数 k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数S=kln3、熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵是不会减少的。系统的总熵是不会减少的。孤立系统熵增加过程是系统热力学概率增大的孤立系统熵增加过程是系统热力学概率增大的过程（即无序度增

9、大的过程），是系统从非平衡过程（即无序度增大的过程），是系统从非平衡态趋于平衡态的过程，是一个不可逆过程。态趋于平衡态的过程，是一个不可逆过程。熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序。卡农、乔治卡农、乔治梅特勒的大爆炸学说也认为，宇梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，它与热力学第二定律是相符的。展，它与热力学第二定律是相符的。热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式；热力学第只能从一种形式转变到另一种形式；热力学第二

10、定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿二定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态。变为不可利用的状态。1、关于有序和无序下列说法正确的是、关于有序和无序下列说法正确的是（ ）A有序和无序不是绝对的有序和无序不是绝对的 B一个一个“宏观态宏观态”可能对应着许多的可能对应着许多的“微观态微观态”C一个一个“宏观态宏观态”对应着唯一的对应着唯一的“微微观态观态”D无序意味着各处一样、平均、没有无序意味着各处一样、平均、没有差别差别ABD 2、下面关于熵的说法错误的是（、下面关于熵的说法错误的是（ ）A熵是

11、物体内分子运动无序程度的量度熵是物体内分子运动无序程度的量度B在孤立系统中，一个自发的过程总是在孤立系统中，一个自发的过程总是 向熵减少的方向进行向熵减少的方向进行C热力学第二定律的微观实质是熵是增热力学第二定律的微观实质是熵是增 加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原理理D机械能转化为内能的过程是系统的熵机械能转化为内能的过程是系统的熵增加的过程增加的过程B3、从微观角度看（、从微观角度看（ ） A热力学第二定律是一个统计规律热力学第二定律是一个统计规律B一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展态发展C一个宏观状态所对应的微观状态越少，越是一个宏观状态所对应的微观状态越少，越是无序，熵值越大无序，熵值越大D出现概率越大的宏观状态，熵值越小出现概率越大的宏观状态，熵值越小E与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加的与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加的过程过程F气体扩散现象向着无序性增加的方向进行气体扩散现象向着无序性增加的方向进行,是是可逆过程可逆过程ABE