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热力学第二定律的微观解释 人教版选修3 3 热力学第二定律的本质自然界一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 克劳修斯表述不可能从单一热库吸收热量 使之完全变为功 而不产生其他影响 开尔文表述自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 系统的宏观表现源于微观粒子的统计规律 热力学第二定律 第十章热力学定律 表述二 热转功的条件 否定第二类永动机 无序 有序 有序 无序 列举生活中的一个有序与无序现象 体验活动1 有序 无序请学号20 25的同学到前面来 排成一队 一 有序和无序 有序 系统的个体按确定的某种规则 有序排列 无序 个体分布没有确定的要求 怎么分布都可以 1 将扑克牌按红桃 黑桃的顺序排列及号码由小到大顺序自左向右排列 体验活动2 扑克牌的排列 宏观态1 具体的排列 对应的微观态数目 1 2 将扑克牌按红桃 黑桃的顺序自左向右排列 宏观态2 对应的微观态数目 2 具体的排列 3 将扑克牌按任意顺序排列 二 宏观态和微观态 宏观态 指符合某种规则的宏观状态 微观态 在规定的宏观态下 所有可能的不同的 微观的 分布状态 叫做这种宏观态的微观态 一种 宏观态 可能包含一种或几种 微观态 宏观态1红黑 序号 宏观态2红黑 宏观态3任意 1 2 1 比较3种宏观态 排列方式 的有序程度 2 观察宏观态的有序程度与什么有关 无序有什么特点 3 哪种宏观态更容易实现 3 二 宏观态和微观态 无序意味着各处都一样 平均没有差别 宏观过程的方向性 从有序到无序 宏观态对应的微观态数量多 显得无序 宏观态对应的微观态数量少 显得有序 热力学第二定律的另一种表述 气体向真空的自由膨胀是不可逆的 三 气体向真空中的扩散 A B A B 宏观态 微观态 详细分布 宏观态 微观态个数 1 4 6 4 1 1 16 4 16 6 16 4 16 1 16 等概率原理 对于孤立系统 各种微观态出现的可能性 或概率 是相等的 均匀分布对应的微观态数最多 最无序 16 宏观态 微观态个数 16 N个分子 可能有多少种微观态 全部退回到A部的几率1 2N 24 1023个分子组成的宏观系统 均匀分布这种宏观态的热力学概率几乎为100 实际观测到的基本是均匀分布这种宏观态 即系统最后所达到的平衡态 气体向真空的自由膨胀是不可逆的 A B A B 是微观态增加的过程 有序 无序 概率较大的宏观态 无序意味着各处都一样 平均 没有差别 热力学第二定律的微观意义 一切自发的过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行 请从微观角度解释 热量自发地从高温物体传到低温物体 无序意味着各处都一样 平均 没有差别 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性增大的方向进行 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大的状态进行的过程 自发过程的规律 概率小的状态 有序 概率大的状态 混乱 四 熵 1877年 玻耳兹曼提出了熵S与 的关系 S ln 普朗克定义了熵 S Kln 熵 度量系统无序程度的大小 熵越高 系统越无序 熵越低 系统越有序 统计物理基本假定 等几率原理 对于孤立系 各种微观态出现的可能性 或几率 是相等的 各种宏观态不是等几率的 那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 定义热力学几率 与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率 记为 在上例中 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 所以 实际观测到的总是均匀分布这种宏观态 即系统最后所达到的平衡态 对于1023个分子组成的宏观系统来说 均匀分布这种宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的热力学几率的总和相比 此比值几乎或实际上为100 在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵不会减小 热力学第二定律 熵增加原理 对整个宇宙不适用 如布朗运动 平衡态相应于一定宏观条件下 最大的状态 热力学第二定律的统计表述 孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡 从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡 自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行 4 热力学第二定律的适用范围 注意 微观状态数最大的平衡态状态是最混乱 最无序的状态 一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行 1 适用于宏观过程对微观过程不适用 2 孤立系统有限范围 4 熵与熵增加原理 熵 是什么 熵 是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语 他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度 能量分布得越均匀 熵就越大 如果对于我们所考虑的那个系统来说 能量完全均匀地分布 那么这个系统的熵就达到最大值 简单的说 熵 就是微观粒子的无序程度 能量差别的消除程度 在克劳修斯看来 在一个封闭的系统中 运动总是从有序到无序发展的 思考 一个物体在粗糙的平面上滑动 最后停止 系统的熵如何变化 做一做目前 熵 这个词的应用十分广泛 已经超出了物理学的范畴 深入到信息科学 生命科学和社会科学中 在这些场合 有些用法是熵本来意义的延伸 有些只是用做 无序程度 的代名词 描述过程发展的方向 访问一个有搜索功能的网站 键入 熵 看看人们是怎样使用这个名词的 熵本身既不是好事 也不是坏事 熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序 是无效能量的总和 物理学家们认为 熵定律是物质世界的最终定律 人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一 第二定律的严密制约 但是 他们又认为熵定律只涉及物质世界 生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流 关于熵的认识 热力学第二定律 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 热力学第一定律 U Q W 小结 热力学定律 量 序 概率小的状态 有序 概率大的状态 无序 混乱 熵增加的状态 下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是 A 从微观的角度看 热力学第二定律是一个统计规律B 一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行C 有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行 有的自然