物理人教版选修3-3------10.5--热力学第二定律的微观解释

教学目标1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。2.了解热力学第二定律的微观意义。3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。4.知道随着条件的变化，熵是变化的。10.5热力学第二定律的微观解释不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自动地从低温物体传到高温物体）。定律的两种表述不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。(第二类永动机是不可能制成的)可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律两种表述是等价的“气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的”对宏观自然过程方向性的说明，都可以作为热力学第二定律的表述1.有序和无序有序：一个系统的个体按某种确定规则，有顺序地排列就叫做有序。无序：不符合某种确定规则的排列称为无序。没按规则排列，意味着各处都一样，平均、没有差别。一.与热力学第二定律微观解释相关连的概念热学系统是由大量分子组成的。因此宏观上观察到的热学现象、发生的热学过程都具有一定的方向性，必然有其深刻的微观原因。阅读课本P61-P62例：一副扑克按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，而且从小到大排列，就是有序例：一副扑克洗牌后就变得无序了有序和无序是相对的：例：一副扑克指定按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序、但对号码的大小不做要求，这样的排列对完全杂乱的一副牌来说是有序的，但对于不仅由花样要求，对号码顺序也有要求的排列来说，就是无序的。2.宏观态和微观态（统计物理学术语）宏观态：系统符合某种“宽泛”的规定、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“更细”的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。这就涉及到有序程度的问题简而言之：系统的宏观状态就是宏观态。系统的宏观态下个体的不同分布状态就是微观态。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。•不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀或像真空的扩散为例）下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认识第二定律的本质。热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。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。1、热力学第二定律的微观意义二、.热力学第二定律的统计意义AB分布（宏观态）详细分布（微观态）14641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：AB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。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231021意味着全部退回到A部永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。同一宏观态相应的微观态数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。分布（宏观态）详细分布（微观态）146414个分子在容器中的分布对应5种宏观态一种宏观态对应若干种微观态。不同的宏观态对应的微观态数不同。均匀分布对应的微观态数最多。全部退回A边仅对应一种微观态。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？热力学几率宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。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。2、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。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。分布（宏观态）详细分布（微观态）14641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%。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。对整个宇宙不适用。如布朗运动。3、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。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。5.熵与熵增加原理“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。能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。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”。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。S=KlnΩ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。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。为同一宏观态相应的微观态数即热力学几率由热力学第二定律知，能量的转移和转化具有方向性。1.能量耗散：系统的内能流散到周围环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用，这种现象叫做能量耗散。2020/4/612一、能量耗散和品质降低2.品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。3.从被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。由此可知，能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低。煤、石油、天然气等能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放并最终转化为低品质的内能。所以我们要节约能源.10.6能源和可持续发展二、能源与人类社会发展能源科技的每一次突破，都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步：1）远古时代火的使用,使人们脱离了茹毛饮血的时代2）18世纪末蒸汽机的发明和完善,带动了第一次产业革命和资本主义社会的成长.3）内燃机的发展,推动了19世纪末、20世纪初开始的机械化和电气化进程.4）20世纪中叶,蒸汽轮机和燃气轮机的发展为大规模发电和航空事业奠定了基础.三、能源与环境1、常规能源的大量消耗带来了环境问题(1)常规能源:能源：凡是能够提供可利用能量的物质统称为能源。常规能源：人们把煤、石油、天然气叫做常规能源，人类消耗的能量主要是常规能源。露天煤矿海上石油开采2020/4/6142、环境问题（1）温室效应：温室效应是由于大气里温室气体（二氧化碳、甲烷等）含量增大而形成的．石油和煤炭燃烧时产生二氧化碳．（2）酸雨：大气中酸性污染物质，如二氧化硫、二氧化碳、氢氧化物等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨．煤炭中含有较多的硫，燃烧时产生二氧化硫等物质．（3）光化学烟雾：氮氧化合物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强烈的紫外线照射后产生的二次污染物质——光化学烟雾，主要成分是臭氧．(4)另外常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染．常规能源的大量消耗所带来的环境污染既损害人体健康，又影响动植物的生长，破坏经济资源，损坏建筑物及文物古迹，严重时可改变大气的性质．使生态受到伤害．2020/4/615四、开发新能源（1）新能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源，如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。2020/4/616(3)风能：风能是由于太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，而引起的空气流动所产生的能量。整个地球接受到的太阳能辐射能约有0.2%被转换成风能，全球的风能总量估计有1.6×1022J。（2）无穷无尽的太阳能：太阳以其巨大的、无穷无尽的辐射能形式提供地球最清洁的能源能。①数量巨大：太阳辐射功率为3.9×1026瓦。能到达地球表面的太阳能每年约为1.3×1010吨标准煤，是目前全世界所消耗的各种能量总和的1×104倍。②时间长久：太阳系已存在大约5×109年左右，尚可继续维持大约1010年之久。③清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称，它不仅毫无污染，也毫无危险。•(5)地热能：地球本身是一个巨大的天然储热库。地热能指地球内部可释出来的热量。据估计，从地球内部每年传到地球表面的热量，相当于370亿吨标准煤燃烧时所放出的热量。•(6).未来能源的希望——核能：在当前开发和利用的新能源中，核能尤其重要。核能包括裂变能和聚变能，其中受控热核聚变的原料氘和氚可取自海洋，足够人类使用几十亿年，是取之不尽的能源。2020/4/617(4)海洋能：包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，它们不仅可以再生，还具有不污染环境的优点。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[精与解]我们知道，一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体传向低温物体；又如扩散，气体总是由密度大的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下气体可以由密度大的地方向密度小的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外力做功把热量从低温物体─冷冻食品传向高温物体─周围的大气。所以，在回答热力学过程的方向问题时，要区分是自发过程还是非自发过程，电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的。BD练习2.一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。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，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行C．热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原理D．熵值越大，代表系统分子运动越无序B[精与解]物理学中用熵来描述系统大量分子运动的无序性程度。热力学第二定律用熵可表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。4.一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