5　热力学第二定律的微观解释

1、第5节 热力学第二定律的 微观解释,复习,热力学第二定律的两种表述：,总结：任何一类宏观自然过程进行方向的说明都可以作为热力学第二定律的表述.,二、热力学第二定律的开尔文表述： 1.不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响. 2.第二类永动机不可能制成,一、热力学第二定律的克劳修斯表述： 热量不能自发地从低温物体传到高温物体.,思考：为什么涉及热运动的宏观过程会有一定的方向性？如何从微观的角度进行解释说明？,投掷硬币,观看视频，你能得到哪些概念？,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

2、、没有差别，有序则相反. 有序和无序是相对的.,一、有序和无序 宏观态和微观态,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：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态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.,观看视频，你能得到什么规律？,投掷硬币2,思考：如果气体向真空扩散，宏观态和微观态分别指什么？怎样是有序？怎样是无序？,容器左右等体积，左部有气体，右部为真空.抽去隔板气体自由膨胀. 系统宏观态-用分子左、右两部分的分配数目表示 系

3、统微观态-用分子处在某一部分的具体情况表示.,二、气体向真空的扩散,思考：假定容器中有4个分子，抽出隔板后，4个分子在容器中具有哪些可能的宏观态和微观态？气体扩散后4个分子分布的最大一种可能和最小一种可能是什么？,分布 （宏观态）,详细分布 （微观态）,抽出隔板后，4个分子在容器中可能的分布如图所示,1,6,4,1,4,0,1,2,3,4,5,6,4个粒子分布,左4 右0,左3 右1,左2 右2,左1 右3,左0 右4,假设所有的微观状态其出现的可能性是相同的.,4粒子情况，总状态数16， 左4右0 和 左0右4，几率各为1/16； 左3右1和 左1右3 ，几率各为1/4； 左2右2， 几率为

4、3/8.,容器中有6个分子， 在容器中的位置可能分布,思考：通过以上的分析，能得到什么结论？,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.,热力学第二定律的微观解释,熵的引入,“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.,三、熵,比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了.这就

5、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”.,玻耳兹曼用熵 S来表示系统无序性的大小.定义熵与热力学概率之间的关系为： S=kln 其中k为玻耳兹曼常量，上式称为玻耳兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式.,熵的微观意义：系统内分子运动无序性的量度.,从微观的角度看,热力学第二定

6、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.,用熵 S 代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵增加的方向进行，它是不可逆的，平衡态相应于熵最大值的状态.热力学第二定律的这一表述称为熵增加原理.,日常现象与熵增加原理,1.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,分子热运动无序程度小,熵增加原理,无序程度大,CD,2.对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是( ) A.系统的总熵只能增大，不可能减小 B.系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小 C.系统