学高中物理人教选修同步辅导与检测第节热力学第二定律的微观解释.pptx

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1、热力学第三定律是否存在低温的极限？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念他从空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加，设想在某个温度下空气的压强将等于零根据他的计算，这个温度就是后来提出的摄氏温标约239.后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度为270.3，并认为在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起他们的这个看法没有得到人们的重视直到盖吕萨克定律提出之后，存在绝对零度的思想才得到物理学界的普遍承认1848年，英国物理学家开尔文在确立热力学温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限第1页/共23页1906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时

2、，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系(固体和液体)的熵(即热量被温度除的商)在等温过程中的改变趋于零”德国著名物理学家普朗克把这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零”这就消除了熵常数取值的任意性.1912年，能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度”这就是热力学第三定律在统计物理学上，热力学第三定律反映了微观运动的量子化在实际意义上，第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃制造第一种永动机和第二种永动机的意图，而是鼓励人们想方设法尽可能接近绝

3、对零度第2页/共23页第3页/共23页 1宏观态和微观态 当我们以系统的分子数分布而不区分具有的分子来描写的系统状态叫做热力学系统的_；如果使用分子数分布并且区分具体的分子来描写的系统状态叫做热力学系统的_ 2如右图所示，其中右室部分为真空从无序的角度上看，热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的，因为任何热力学过程都伴随着分子的无序运动状态的变化，当撤去挡板的一瞬间，分子仍聚集在左室，对于左右两室这一整体来讲，这显然是一种高度有序的分布，当气体分子自由扩散后，气体系统就第4页/共23页变得无序了，因此，气体的自由扩散过程是沿着无序性_的方向进行的，因此，一切自然过程总是沿着分子热运动的_进行

4、 3处于不同状态的物体，分子运动的无序程度_，在物理学中，用来量度系统_的物理量叫做熵 4引入熵后，关于自然过程的方向性就可以表述为_答案：1宏观态微观态2增大无序性增大的方向3不同无序程度4在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小第5页/共23页第6页/共23页有序和无序、宏观态和微观态1有序和无序有序：确定了某种规则，系统符合这个规则的就是有序的无序：一个系统中，对个体的分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”，这样的分布是无序的有序和无序是相对的按照某种规则，个体分布是有序的，但若按另一种规则要求，有些个体就可能是无序的无序意味着对每个个体各处都一样、平均、没有差别；而有序则相反第7页

5、/共23页 2宏观态和微观态 宏观态：一个系统整体所处的状态就叫做宏观态 微观态：宏观态系统内部各个体的不同分布状态就叫微观态，一个“宏观态”往往对应有多个“微观态”，对应的“微观态”越多，就说这个“宏观态”无序度越大第8页/共23页 以一副扑克牌为例，下列关于有序、无序和宏观态、微观态的认识中不正确的是()A按黑桃、红桃、草花、方块的顺序，而且从大到小将扑克牌排列起来，扑克牌这时是有序的B将扑克牌按偶数和奇数分成两部分，扑克牌是无序的，每部分内部是有序的C一副扑克牌，这就是一个宏观态，将牌洗动一次就是一个微观态D一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，它是一副扑克牌对应的一个微观态

6、E一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，从偶数部分抽出一张插入到奇数部分，它是该宏观态对应的一个微观态第9页/共23页解析：A中扑克牌的排列是有确定规则的，是有序的，A正确B中将扑克牌按奇、偶分成两部分，是有确定规律的，是有序的，每部分内部排列是没有规则的，是无序的，B不正确一副扑克牌是一个系统，是一个宏观态洗动一次，系统内部排列不同，是这副扑克牌宏观态对应的一个微观态，C正确将一副扑克牌分成奇、偶两部分，构成一个系统，是一个宏观态，同时它又是一副扑克的一种排列形式，是一副扑克牌这一宏观态对应的一个微观态，D正确从偶数部分中抽出一张插入奇数部分中，不再对应于按奇偶分成两部分的扑克牌

7、这一宏观态，也不再是该宏观态对应的一个微观态，可以当作是一副扑克牌这一宏观态对应的微观态，E错误答案：BE点评：宏观态与微观态不是绝对的，宏观态的有序性越高，其对应的微观态越少反之，宏观态的有序性越小，其对应的微观态就越多第10页/共23页变式迁移1自然过程的方向性是从有序状态自发地转向无序状态如何根据这种理论说明热传递和功变热两种过程的不可逆性？解析：在热传递过程中，热量总是从高温物体自发地流向低温物体，直到两物体的温度相同初始状态，进行热传递的两个物体所组成的系统温度不同，这是比较不均匀的状态，也即比较有序的状态；终了状态，系统的温度相同，这是比较均匀的状态，也即比较无序的状态所以，热传递

8、过程使系统从比较有序的状态向着比较无序的状态转化这个过程是自发进行的，而自发进行的过程，总是朝着熵增加的方向进行，也即朝着无序化程度增加的方向进行，所以说，热传递的过程是一个不可逆的过程同样，功变热的过程也是不可逆的这种不可逆性是指第11页/共23页功(机械能)可以全部转化为热(内能)，而热(内能)却不能自发地全部转化为功具有机械能的物体可以说处在一种比较有序的状态，随着功变热过程的进行，能量的品质逐渐下降，物体无序化程度在增加，这种从有序自发地转向无序的过程，体现了自然过程的方向性，说明了功变热过程的不可逆性 答案：见解析 点评：明确热传递改变内能的过程是自发地进行的，而自发进行的过程总是朝

9、着熵增加的方向进行的，即朝着无序化程度增加的方向进行的，即是一个不可逆的过程而做功改变物体的内能，能量的品质逐渐下降，物体的无序化程度在增加，而从有序转化为无序的过程，体现了自然过程的方向，故功变热的过程是不可逆的.第12页/共23页热力学第二定律的微观解释1热力学第二定律的微观解释一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行注：我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的那样的宏观态自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向无序发展的2熵(1)熵的概念物理学中用字母表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有：Skln 式中k叫做玻耳兹

10、曼常量第13页/共23页注：既然微观态的数目是分子运动无序性的一种量度，由于越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动无序性的量度(2)熵增加原理 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加注：由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率较大的宏观状态在自然过程中熵总是增加的，其并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多，正如把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较

11、大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序更大的方向发展第14页/共23页 关于气体向真空中扩散的规律的叙述中错误的是()A气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大B气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大 C扩散到真空中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大D气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行第15页/共23页解析：气体分子向真空中扩散时，分子数越少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大；分子数越大，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A正确B错误扩散到真空中的分子在整个容器

12、中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观态最多，并且这一宏观态的无序性最强，C、D正确答案：B第16页/共23页变式迁移2下列说法，正确的是()A一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行B一切自然过程总是沿着分子热运动有序性增大的方向进行C在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小D在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵可能减小解析：一切自然过程均沿无序性增大的方向进行，即沿熵增大的方向答案：AC第17页/共23页第18页/共23页基础巩固1下列有关熵的说法中不正确的是()A熵是系统内分子运动无序性的量度B在自然过程中熵总是增加的C热力学第二定律也叫做熵增加原理D熵值越大代表越有序

13、解析：首先应明确熵的物理意义：它是表征分子运动无序性的物理量，熵越大，说明越混乱，即越无序热力学第二定律的微观意义表明：一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，即向熵增大的方向进行，所以热力学第二定律也叫做熵增加原理答案：D第19页/共23页能力提升 10某学习小组做了如下实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，取出烧瓶，并迅速把一个气球紧套在烧瓶颈上，封闭了一部分气体，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图在气球膨胀过程中，下列说法正确的是()A该密闭气体分子间的作用力增大 B该密闭气体组成的系统熵增加 C该密闭气体的压强是由于气体重力而产生的 D该密闭气体的体积是所有气体分子的体积之和第20页/共23页解析：一切自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少，B正确；气球膨胀分子间的距离增大，分子间的作用力减小，A错误；气体的压强是由于气体分子频繁的撞击容器壁产生的，C错误；因气体分子之间存在间隙，所以密闭气体的体积大于所有气体分子的体积之和，D错误答案：B第21页/共23页祝您第22页/共23页感谢您的观看。第23页/共23页