高中物理：10.5《热力学第二定律的微观解释》学案 新人教版选修3-3

课题 课题 1010 5 5 热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释 学习目标 知识与技能 1 知道有序和无序 宏观态和微观态的概念 2 知道熵的概念 知道熵是反映系统无序程度的物理量 知道任何自然过程中 一个孤立 系统的总熵不会减少 3 了解热力学第二定律的微观意义 知道随着条件的变化 熵是变化的 过程与方法 1 学会通过现象总结规律的科学方法 2 知道熵的概念 知道任何自然过程中一个孤立系统的总熵不会减少 情感态度和价值观 培养分析 归纳 综合能力 重点 热力学第二定律的微观解释 难点 熵的概念 知识链接 1 热力学第一定律 2 热力学第二定律的第一种表述 3 热力学第二定律的第二种表述 学习过程 1 举例说明什么是有序和无序 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 简述什么是宏观态和微观态 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 同时也决定了宏观过程的方向 性 从有序到无序 3 什么样的宏观态是比较无序的 4 阅读教材 p64 总结热力学第二定律的微观意义 5 写出熵与微观态数目的定量关系 6 写出熵增加原理 熵和系统内能一样都是一个状态函数 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 在绝热过程或孤立系统中 熵是增加的 叫做熵增加原理 对于其它情况 系统的熵可 能增加 也可能减小 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 例 1 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 解析 因为物体由于受到摩擦力而停止运动 其动能变为系统的内能 增加了系统分子无规 则运动的程度 使得无规则运动加强 也就是系统的无序程度增加了 所以系统的熵增加 课堂小结 针对训练 1 课后练习 1 1 2 3 4 2 课后练习 2 课后阅读 1 1 熵与熵增加原理熵与熵增加原理 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 比如 把一块 冰糖放入水中 结果整杯水都甜了 这就是说 糖分子的运动扩展到了整杯水中 它们的运 动变得更加无序了 对于一个封闭的系统 能量差也总是倾向于消除的 比如 有水位差的 两个水库 如果把它们连接起来 那么 重力就会使一个水库的水面降低 而使另一个水库 的水面升高 直到两个水库的水面均等 势能取平为止 克劳修斯总结说 自然界中的一个普遍规律是 运动总是从有序到无序 能量的差异总 是倾向变成均等 也即 熵将随着时间而增大 熵熵 对于由大量分子构成的系统而言 宏观态包含的微观态数目往往很大 这不利于实际计算 为此 玻耳兹曼引进了熵的概念 并定义系统的熵为 s kln 后来普朗克把它写成 s kln 式中 k 叫做玻耳兹曼常数 s 为系统的熵 为一个宏观状态所对应的微观状态 数目 引入熵后 关于自然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 不会减小 从微观角度看 热力学的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度更 大的方向发展 因此热力学第二定律也叫做熵增加原理 2 2 宇宙热寂说宇宙热寂说 克劳修斯把他的熵增加原理应用到无限的宇宙中去 得出了 宇宙热寂说 宇宙热寂说 主要有以下几个结论 第一 宇宙的离散度不断增加 第二 所有的机 械运动都转化为热运动 第三 热量停止传递 最后我们可以设想出这么一个宇宙的图景 宇宙的有效生命将停止 能量还保存着 但已失去一切活动的能力 它无力再使宇宙运动 正如一潭死水不能使水车转动起来一样 我们将处在一个死寂的 热的宇宙中 但宇宙真会 热寂吗 首先 热力学试验成果是以有限的 孤立封闭的系统为研究对象的 以有限的范围 有限的事件得出的规律能否推广到全宇宙呢 其次 自然界的规律是否同样适用于高级的生 命运动呢 第三 黑洞理论指出 宇宙的离散度并非不断增加 宇宙中存在的黑洞在不断地 吸引物质 所以说 克劳修斯的 宇宙热寂说 仅仅是一种形而上学的自然观 我们不必杞 人忧天地担心宇宙会进入 热寂 3 3 大爆炸理论大爆炸理论 大爆炸宇宙理论认为 宇宙的演化是从物质分布为均匀的状态演化到非均匀状态 宇宙 膨胀是引力理论的一个结果 在宇宙范围内 引力是主导的 引力系统的热力学与无引力的 热力学会导致十分不同的结论 比如 原来密度均匀的物质由于涨落可产生密度差 在引力 占主导的条件下 高密度区域会吸引更多的物质而使密度变得更高 更多的物质会逃离低密 度区而使密度变得更低 各种星体就是通过这种非均匀化过程聚集而成的 经典热力学的结 论