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,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。,一、有序和无序,1.有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。,2.无序：不符合某种确定规则的称为无序。,3.无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。,4.有序和无序是相对的。,为什么涉及热运动的宏观过程会有方向性?,例如：排队。,二、宏观态和微观态,1.宏观态：从总体上观察，对系统个体不予区分的状态。,2.微观态：从微观上看，对系统内的个体加以区分的状态,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。,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：,三、热力学第二定律的统计意义,隔板抽出后，4个气体分子在容器中可能的分布情形,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，则共有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N1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为1/21023。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。,宏观过程不可逆在微观上的统计解释,在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的？,各种宏观态不是_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_。,对热力学系统进行观察，我们看到的总是粒子数分布_的宏观态，即热力学_。,均匀分布这种宏观态，相应的微观态_，热力学几率_，实际观测到的可能性或几率_。,等几率,大,最多,最大,最大,均匀,平衡态,1、热力学第二定律的微观意义：,三、热力学第二定律的统计意义,2、不可逆过程的本质：,一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性_的方向进行。,3、自发过程的规律：,系统从热力学概率_的状态向热力学概率_的状态进行的过程。,概率小的状态(_)概率大的状态(_),增大,小,大,有序,混乱,例如：对整个宇宙不适用。,例如：布朗运动不适用。,4、热力学第二定律的适用范围,1）适用于宏观过程对微观过程不适用，,2）适用于孤立系统，,思考：如何定量描述宏观态的无序性？,1、1877年，玻耳兹曼引入熵，表示系统无序性的大小：,四、熵,Sln,表示某一宏观态所对应的微观态数目，称为该宏观态的热力学概率。越大，宏观态出现的概率越大，无序度越大,2、1900年，普朗克引入系数k玻耳兹曼常数,S=kln,孤立系统熵增加过程是系统热力学概率增大的过程（即无序度增大的过程），是系统从非平衡态趋于平衡态的过程，是一个不可逆过程。,四、熵,3、熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵是不会减少的。,熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序。卡农、乔治梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，它与热力学第二定律是相符的。热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式；热力学第二定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态。,1、电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了()A热量能自发地从低温物体传给高温物体B在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体C热量的传导过程不具有方向性D在自发地条件下热量的传导过程具有方向性,BD,2、关于有序和无序下列说法正确的是()A有序和无序不是绝对的B一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”C一个“宏观态”对应着唯一的“微观态”D无序意味着各处一样、平均、没有差别,ABD,3、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。,4、倒一杯热水，然后加入适当的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶，关于这个过程下列叙述正确的是()A溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的B溶解过程是有序向无序转变的过程C结晶过程是有序向无序转变的过程D结晶过程不是自发的，因为有外界的影响,BD,5、一个密闭的容器内有稀薄气体，在容器上开一个小口，外部的空气就会流入容器，在气体流入过程中，容器内靠近开口处的空气密度暂时变得比内部大，以下说法正确的是()A此时容器内气体处于一个不平衡状态，是一个最无序的状态B外界的影响破坏了容器内气体的平衡C上面事实说明热力学第二定律只适用于封闭系统D对一个开放系统并不一定是最无序的分布,BC