5　热力学第二定律的微观解释.ppt

10 5热力学第二定律的微观解释 第十章 热力学定律 1 有序和无序 有序 只要确定了某种规则 符合这个规则的就叫做有序 无序 不符合某种确定规则的称为无序 无序意味着各处都一样 平均 没有差别 有序则相反 有序和无序是相对的 2 宏观态和微观态 宏观态 符合某种规定 规则的状态 叫做热力学系统的宏观态 微观态 在同一个宏观状态下 符合规则的不同的排列叫做这个宏观态的微观态 系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小 如果一个 宏观态 对应的 微观态 比较多 就说这个 宏观态 是比较无序的 3 热力学第二定律的微观意义 不可逆过程的统计性质 以气体自由膨胀为例 一个被隔板分为A B相等两部分的容器 装有4个涂以不同颜色分子 开始时 4个分子都在A部 抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动 隔板被抽出后 4分子在容器中可能的分布情形如下图所示 微观态共有24 16种可能的方式 而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1 24 1 16 一般来说 若有N个分子 则共2N种可能方式 而N个分子全部退回到A部的几率1 2N 对于真实理想气体系统N 1023 mol 这些分子全部退回到A部的几率为 此数值极小 意味着此事件永远不会发生 从任何实际操作的意义上说 不可能发生此类事件 对单个分子或少量分子来说 它们扩散到B部的过程原则上是可逆的 对大量分子组成的宏观系统来说 它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的 这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释 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 气体自由膨胀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 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 注意 微观状态数大的 宏观态 是比较无序的 一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行 气体自由膨胀过程总是沿着无序性增大的方向进行 最无序的状态相应于平衡态 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 统计物理基本假定 等几率原理 对于孤立系统 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 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 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 4 熵与熵增加原理 熵是一个状态函数 仅由系统的状态决定 从分子运动论的观点来看 熵是分子热运动无序 混乱 程度的定量量度 一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的 在自然过程中 系统的熵是增加的 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 而熵值较大代表着较为无序 所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展 S kln 探究一 探究二 典例剖析 例题1 多选 关于热力学第二定律的微观意义 下列说法正确的是 A 大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B 热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程C 热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程D 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 思考问题 一切自然过程沿什么方向进行 提示一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行 探究一 探究二 变式训练1 多选 下列关于气体在真空中的扩散规律的叙述正确的是 A 气体分子数越小 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 扩散到真空容器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 总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行解析 由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方向进行 和熵的概念可知 A C D正确 答案 ACD 探究一 探究二 典例剖析 例题2 多选 下列关于能量耗散的说法正确的是 A 能量耗散使能的总量减少 违背了能量守恒定律B 能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用C 各种形式的能量向内能的转化 是能够自动全额发生的D 能量耗散导致能量品质的降低解析 能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收 遵守能量守恒定律 但使得能量品质降低 故选项A错误 选项D正确 耗散的内能无法再被利用 选项B正确 其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能 但相反过程却不能够全额进行 选项C正确 故选B C D 答案 BCD 探究一 探究二 变式训练2 多选 下面关于能源的说法正确的是 A 一切能源是取之不尽 用之不竭的B 能源是有限的 特别是常规能源 如煤 石油 天然气等C 大量消耗常规能源会使环境恶化 故提倡开发利用新能源D 核能的利用对环境的影响比燃烧石油 煤炭大解析 尽管能量守恒 但耗散的内能无法重新收集利用 所以能源是有限的 特别是常规能源 A错误 B正确 常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大 C正确 D错误 答案 BC 1 2 3 4 5 1 已知一个系统的两个宏观态甲 乙 及对应微观态的个数分别为较少 较多 则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的是 A 甲比较有序 乙比较无序 甲 乙B 甲比较无序 乙比较有序 甲 乙C 甲比较有序 乙比较无序 乙 甲D 甲比较无序 乙比较有序 乙 甲解析 一个宏观态对应微观态的多少标志着宏观态的无序程度 从中还可以推知系统自发的方向 微观态数目越多 表示越无序 一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行 A项正确 B C D项错误 答案 A 1 2 3 4 5 2 多选 下列说法正确的是 A 能量耗散 说明能量在不断减少B 因为液体表面分子分布比内部稀 所以表面有收缩趋势C 某些液晶中掺入少量多色性染料后 对不同颜色的光吸收强度与所加电场的场强有关D 温度高的物体具有的内能一定比温度低的物体具有的内能多 1 2 3 4 5 解析 能量耗散是指能量的可利用率越来越低 但仍然遵守能量守恒定律 故A错误 液体表面层的分子间同时存在相互作用的引力与斥力 但由于分子间的距离大于分子的平衡距离r0 分子引力大于分子斥力 分子力表现为引力 即存在表面张力 表面张力使液体表面有收缩的趋势 B正确 彩色液晶显示屏是应用液晶在不同电场中对不同颜色的光吸收强度不同制成的 C正确 物体的内能与物质的量 温度 体积 以及物态有关 温度高的物体具有的内能不一定比温度低的物体具有的内能多 故D错误 答案 BC 1 2 3 4 5 3 下面关于熵的说法错误的是 A 熵是物体内分子运动无序程度的量度B 在孤立系统中 一个自发的过程熵总是向减少的方向进行C 热力学第二定律的微观实质是熵是增加的D 熵值越大 代表系统分子运动越无序解析 熵是物体内分子运动无序程度的量度 熵值越大 代表系统分子运动越无序 A D正确 在孤立系统中 一个自发的过程熵总是向增加的方向进行 B错误 热力学第二定律又可表述为一切自然过程都遵守熵增加原理 其微观实质是熵增加 C正确 答案 B 1 2 3 4 5 4 多选 下列关于能源的说法正确的是 A 石油 天然气都属于新能源B 能量耗散不遵循能量守恒定律C 能量耗散会导致能量品质的降低D 为了可持续发展 必须节约能源解析 石油 天然气属于常规能源 A项错误 能量耗散同样遵循能量守恒定律 但能量耗散导致能量品质降低 B项错误 C项正确 因可用能源正在减少 故为了可持续发展 必须节约能源 D项正确 答案 CD 1 2 3 4 5 5 某市有20万台空调机 每台空调机在夏季平均使用60天 每天耗电8kW h 为了节约能源 该市政府建议大家都把室内设定温度提高1 这样每台空调机每天可节省6 的电能 那么这样做能使该市在夏季节省多少电能 已知标准烧煤的热值是2 92 107J kg 发电厂的发电