物理课件(人教版选修3-3)第十章第5节热力学第二定律的微观解释

热力学第三定律是否存在低温的极限？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念．他从空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加，设想在某个温度下空气的压强将等于零．根据他的计算，这个温度就是后来提出的摄氏温标约－239℃.后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度为－270.3℃，并认为在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起．他们的这个看法没有得到人们的重视．直到盖·吕萨克定律提出之后，存在绝对零度的思想才得到物理学界的普遍承认．1848年，英国物理学家开尔文在确立热力学温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限．1906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系(固体和液体)的熵(即热量被温度除的商)在等温过程中的改变趋于零．”德国著名物理学家普朗克把这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零．”这就消除了熵常数取值的任意性.1912年，能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度”．这就是热力学第三定律．在统计物理学上，热力学第三定律反映了微观运动的量子化．在实际意义上，第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃制造第一种永动机和第二种永动机的意图，而是鼓励人们想方设法尽可能接近绝对零度．1．宏观态和微观态当我们以系统的分子数分布而不区分具有的分子来描写的系统状态叫做热力学系统的________；如果使用分子数分布并且区分具体的分子来描写的系统状态叫做热力学系统的________．2．如右图所示，其中右室部分为真空．从无序的角度上看，热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的，因为任何热力学过程都伴随着分子的无序运动状态的变化，当撤去挡板的一瞬间，分子仍聚集在左室，对于左右两室这一整体来讲，这显然是一种高度有序的分布，当气体分子自由扩散后，气体系统就变得无序了，因此，气体的自由扩散过程是沿着无序性________的方向进行的，因此，一切自然过程总是沿着分子热运动的________进行．3．处于不同状态的物体，分子运动的无序程度__________，在物理学中，用来量度系统________的物理量叫做熵．4．引入熵后，关于自然过程的方向性就可以表述为________________．答案：1．宏观态微观态2．增大无序性增大的方向3．不同无序程度4．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小有序和无序、宏观态和微观态1．有序和无序有序：确定了某种规则，系统符合这个规则的就是有序的．无序：一个系统中，对个体的分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”，这样的分布是无序的．有序和无序是相对的．按照某种规则，个体分布是有序的，但若按另一种规则要求，有些个体就可能是无序的．无序意味着对每个个体各处都一样、平均、没有差别；而有序则相反．2．宏观态和微观态宏观态：一个系统整体所处的状态就叫做宏观态．微观态：宏观态系统内部各个体的不同分布状态就叫微观态，一个“宏观态”往往对应有多个“微观态”，对应的“微观态”越多，就说这个“宏观态”无序度越大．以一副扑克牌为例，下列关于有序、无序和宏观态、微观态的认识中不正确的是()A．按黑桃、红桃、草花、方块的顺序，而且从大到小将扑克牌排列起来，扑克牌这时是有序的B．将扑克牌按偶数和奇数分成两部分，扑克牌是无序的，每部分内部是有序的C．一副扑克牌，这就是一个宏观态，将牌洗动一次就是一个微观态D．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，它是一副扑克牌对应的一个微观态E．一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这是一个宏观态，从偶数部分抽出一张插入到奇数部分，它是该宏观态对应的一个微观态解析：A中扑克牌的排列是有确定规则的，是有序的，A正确．B中将扑克牌按奇、偶分成两部分，是有确定规律的，是有序的，每部分内部排列是没有规则的，是无序的，B不正确．一副扑克牌是一个系统，是一个宏观态．洗动一次，系统内部排列不同，是这副扑克牌宏观态对应的一个微观态，C正确．将一副扑克牌分成奇、偶两部分，构成一个系统，是一个宏观态，同时．它又是一副扑克的一种排列形式，是一副扑克牌这一宏观态对应的一个微观态，D正确．从偶数部分中抽出一张插入奇数部分中，不再对应于按奇偶分成两部分的扑克牌这一宏观态，也不再是该宏观态对应的一个微观态，可以当作是一副扑克牌这一宏观态对应的微观态，E错误．答案：BE点评：宏观态与微观态不是绝对的，宏观态的有序性越高，其对应的微观态越少．反之，宏观态的有序性越小，其对应的微观态就越多．变式迁移1．自然过程的方向性是从有序状态自发地转向无序状态．如何根据这种理论说明热传递和功变热两种过程的不可逆性？解析：在热传递过程中，热量总是从高温物体自发地流向低温物体，直到两物体的温度相同．初始状态，进行热传递的两个物体所组成的系统温度不同，这是比较不均匀的状态，也即比较有序的状态；终了状态，系统的温度相同，这是比较均匀的状态，也即比较无序的状态．所以，热传递过程使系统从比较有序的状态向着比较无序的状态转化．这个过程是自发进行的，而自发进行的过程，总是朝着熵增加的方向进行，也即朝着无序化程度增加的方向进行，所以说，热传递的过程是一个不可逆的过程．同样，功变热的过程也是不可逆的．这种不可逆性是指功(机械能)可以全部转化为热(内能)，而热(内能)却不能自发地全部转化为功．具有机械能的物体可以说处在一种比较有序的状态，随着功变热过程的进行，能量的品质逐渐下降，物体无序化程度在增加，这种从有序自发地转向无序的过程，体现了自然过程的方向性，说明了功变热过程的不可逆性．答案：见解析点评：明确热传递改变内能的过程是自发地进行的，而自发进行的过程总是朝着熵增加的方向进行的，即朝着无序化程度增加的方向进行的，即是一个不可逆的过程．而做功改变物体的内能，能量的品质逐渐下降，物体的无序化程度在增加，而从有序转化为无序的过程，体现了自然过程的方向，故功变热的过程是不可逆的.热力学第二定律的微观解释1．热力学第二定律的微观解释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．注：我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的那样的宏观态．自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向无序发展的．2．熵(1)熵的概念物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有：S＝klnΩ式中k叫做玻耳兹曼常量．注：既然微观态的数目Ω是分子运动无序性的一种量度，由于Ω越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动无序性的量度．(2)熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．注：①由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率较大的宏观状态．在自然过程中熵总是增加的，其并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多，正如把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多．②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更大的方向发展．关于气体向真空中扩散的规律的叙述中错误的是()A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大B．气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大C．扩散到真空中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大D．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行解析：气体分子向真空中扩散时，分子数越少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大；分子数越大，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A正确B错误．扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观态最多，并且这一宏观态的无序性最强，C、D正确．答案：B变式迁移2．下列说法，正确的是()A．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行B．一切自然过程总是沿着分子热运动有序性增大的方向进行C．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵可能减小解析：一切自然过程均沿无序性增大的方向进行，即沿熵增大的方向．答案：AC基础巩固1．下列有关熵的说法中不正确的是()A．熵是系统内分子运动无序性的量度B．在自然过程中熵总是增加的C．热力学第二定律也叫做熵增加原理D．熵值越大代表越有序解析：首先应明确熵的物理意义：它是表征分子运动无序性的物理量，熵越大，说明越混乱，即越无序．热力学第二定律的微观意义表明：一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，即向熵增大的方向进行，所以热力学第二定律也叫做熵增加原理．答案：D能力提升10．某学习小组做了如下实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，取出烧瓶，并迅速把一个气球紧套在烧瓶颈上，封闭了一部分气体，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图．在气球膨胀过程中，下列说法正确的是()A．该密闭气体分子间的作用力增大B．该密闭气体组成的系统熵增加C．该密闭气体的压强是由于气体重力而产生的D．该密闭气体的体积是所有气体分子的体积之和解析：一切自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少，B正确；气球膨胀分子间的距离增大，分子间的作用力减小，A错误；气体的压强是由于气体分子频繁的撞击容器壁产生的，C错误；因气体分子之间存在间隙，所以密闭气体的体积大于所有气体分子的体积之和，D错误．答案：B祝您