第五节、热力学第二定律的微观解释

第五节、热力学第二定律的微观解释一、有序和无序、宏观态和微观态问：什么是有序什么是无序？（确定了某种规则，系统符合这种规则的就是有序，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）问：生活中有那些例子呢？（一副扑克牌，如果打炒地皮，按照黑桃、红桃、草花、方块的顺序，并且由大到小排列，我们说这样是有序的，洗牌以后就称之为无序的，如果打跑得快，将扑克牌按照从小到大的顺序排列，这样的排列也是有序的。操场上做操的时候同学们按照年级、班级、男女、从低到高的顺序排列，这样的排列也是有序的，而做操完成退场后学生相对来讲就是无序的）问：对有序和无序该怎样理解呢？（有序和无序是相对的，按照某种规则，个体分布是有序的按照另外一种规则来讲就是无序的，例如一副扑克牌，如果打炒地皮，某同学不是按照黑桃、红桃、草花、方块的顺序，并且由大到小排列，而是将扑克牌不分花色按照从小到大的顺序排列，那么这样的排列方法对于炒地皮的规则来讲是无序的无序意味着每个个体各处都一样、平均、没有差别。例如做操完成退场后学生有可能出现在各个位置，而做操时只能出现在某个特定的位置）问：什么是宏观态什么是微观态？（一个整体所处的状态称之为宏观态，宏观态系统内部各个个体的不同分布状态就称之为微观态，一个宏观态往往对应多个微观态。例如打扑克牌时，规定打炒地皮那规则就是按照黑桃、红桃、草花、方块的顺序，将抓到的牌按规则排列，如果某个人将抓到的牌除了按照黑桃、红桃、草花、方块的顺序而且还按照从小到大的顺序排列，那么他所抓到的牌只能有一种排列方式。如果这个人将抓到的牌按照黑桃、红桃、草花、方块的顺序但没有按照从小到大的顺序排列，那么他所抓到的牌可能有多种排列方式。那么按照黑桃、红桃、草花、方块的顺序排列的所有组合就称之为宏观态、在满足按照黑桃、红桃、草花、方块的顺序的前提下排列的多种组合中的每一种组合就称之为一个微观态）二、气体向真空的扩散（1）容器中气体分子的排列组合例、如图所示，图中有活动隔板C将容器分成容积相等的A、B两部分，原先四个气体分子a、b、c、d全部集中在A中，当抽去隔板后，由于分子的运动和碰撞，每个分子都可能在A中也有可能在B中，试写出容器中可能出现的分布情况?(按照数学中排列组合的计算方法，所有分子在A中的可能性是1/16，A中3个分子B中1个分子的可能性是4/16, A中2个分子B中2个分子的可能行是6/16，A中1个分子B中3个分子的可能行是4/16，所有分子在B中的可能性是1/16)问：从刚才的分析可以得出什么道理？（四个气体分子两两平分在A、B中的可能性最大，全部在A中，A1B3,A3B1,全部在B中的可能性也不是没有，但比较小。而且现实中热力学系统所包含的分子数是非常巨大的，根据数学中排列组合的知识可以得出，分子平均分布在容器中的A、B部分的比例要增大，而气体全部集中在A中或B中的可能性微乎其微，实际上就是不能实现，所以气体向真空中扩散膨胀是一个不可逆过程）（2）热力学第二定律的微观解释说明：从上面的分析我们知道，气体向真空扩散膨胀这个自发过程完成后，气体分子在容器中各个位置出现的可能性都是存在的，相比膨胀前，所有气体分子都在A中要无序得多。即自发过程总是由相对有序向相对无序发展。其实这在现实生活中也是经常见到的，例如：做操完成后退场，如果没有什么特别的要求，同学们就会从一个有序状态向无序状态发展。一个堆成森林小屋的积木如果倾倒在箱中，那么积木就会乱糟糟地堆放在一起，从原先的有序排列向无序排列发展，综上分析我们知道，一切自然过程总是沿着分子热运动地无序性增大的方向发展，这就是热力学第二定律的微观解释三、熵说明：从以上分析可以知道，一个宏观状态对应的微观状态的多少是一个非常重要的物理量，它标志着这个系统宏观态的无序程度，从中还可以知道系统将朝什么方向发展，物理学中就用来表示一个宏观态所对应的微观态的数目。例如在炒地皮的过程中，某个人将抓到的牌按照黑桃、红桃、草花、方块的顺序但没有按照从小到大的顺序排列，那么他所抓到的牌可能有多种排列方式，这些排列方式的数目就等于说明：为了研究的方便，在物理学中引入了一个熵的概念，用符号S表示问：那么熵和之间存在怎样的关系呢？（Skln，其中k是一个常数称之为玻耳兹曼常数，ln是一个对数符号）问：在自发过程中，是由有序向无序发展，那么、S如何变化？（、S都要增大）说明：因此在引入熵这个概念以后，关于自发过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少。这就是用熵表示的热力学第二定律，为此，不少人也把热力学第二定律称之为熵增加原理问：如何理解熵增加原理呢？（熵较大的宏观状态就是无序程度较大的状态，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，其原因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，即无序的可能性要比有序的可能性大得多从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统在自发过程中总是向熵增大的方向发展，而熵值较大代表着较为无序）热力学第二定律的微观解释板书设计一、有序和无序、宏观态和微观态1、有序：确定了某种规则，系统符合这种规则的就是有序 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 对有序和无序该怎样理解：有序和无序是相对的，按照某种规则，个体分布是有序的按照另外一种规则来讲就是无序的无序意味着每个个体各处都一样、平均、没有差别2、宏观态：一个整体所处的状态称之为宏观态， 微观态： 宏观态系统内部各个个体的不同分布状态二、气体向真空的扩散（1）容器中气体分子的排列组合分析： 四个气体分子两两平分在A、B中的可能性最大，全部在A中，A1B3,A3B1,全部在B中的可能性也不是没有，但比较小。而且现实中热力学系统所包含的分子数是非常巨大的，根据数学中排列组合的知识可以得出，分子平均分布在容器中的A、B部分的比例要增大，而气体全部集中在A中或B中的可能性微乎其微，实际上就是不能实现，结论：气体向真空中扩散膨胀是一个不可逆过程（2）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地无序性增大的方向发展三、熵1、物理学中就用来表示一个宏观态所对应的微观态的数目。2、熵和之间的关系：Skln，其中k是一个常数称之为玻耳兹曼常数，ln是一个对数符号3、用熵表示的热力学第二定律（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少 理解：熵较大的宏观状态就是无序程度较大的状态，也就是出