高二物理选修3-3 10.5 热力学第二定律的微观解释 LI

第十章《热力学定律》高中物理选修3－3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。热功转换完全功不完全热非自发传热自发传热高温物体低温物体热传导自由扩散VVV自发外力压缩为什么涉及热运动的宏观过程会有方向性?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。扑克、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“宏观态”可能包含一种或几种“微观态”,不同“宏观态”对应“微观态”的个数不同。“宏观态”对应的“微观态”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。——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个涂以不同颜色的气体分子。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。4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：AB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宏观分布微观状态微观态数14461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。231021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。对热力学系统进行观察，我们看到的总是粒子数分布均匀的宏观态，即热力学中的平衡态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。1、热力学第二定律的微观意义：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。2、不可逆过程的本质：系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程。3、自发过程的规律：概率小的状态(有序)→概率大的状态(混乱)如何定量描述宏观态的无序性？三、热力学第二定律的统计意义四、熵1、1877年，玻耳兹曼引入熵，表示系统无序性的大小S∝lnΩ①Ω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。②Ω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=klnΩ3、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。①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。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、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ABD2、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．机械能转化为内能的过程是系统的熵增加的过程B3、从微观角度看（）A．热力学第二定律是一个统计规律B．一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展C．一个宏观状态所对应的微观状态越少，越是无序，熵值越大D．出现概率越大的宏观状态，熵值越小E．与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加的过程F．气体扩散现象向着无序性增加的方向进行,是可逆过程ABE