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1、汉口北高中 2019-05-20热力学第二定热力学第二定律的本质律的本质自然界一切与热现象有关的宏观过程都是自然界一切与热现象有关的宏观过程都是 的。的。热功转换热功转换完全完全功功不完全不完全,除非允许产生其他影响除非允许产生其他影响热热非自发传热非自发传热 自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体热传导热传导扩散过程扩散过程自发自发外力压缩外力压缩回顾回顾不可逆不可逆【目标】【目标】1.了解有序和无序了解有序和无序,知道有序和无序是相对的知道有序和无序是相对的2.知道宏观态与微观态知道宏观态与微观态,知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的对应
2、关系的对应关系.3.知道气体向真空扩散的方向性的统计解释知道气体向真空扩散的方向性的统计解释,理解热力学第二定律的理解热力学第二定律的微观意义微观意义.4.知道熵的概念知道熵的概念,初步了解熵是描述系统无序程度的物理量初步了解熵是描述系统无序程度的物理量.了解熵增了解熵增加原理加原理,知道它是热力学第二定律的另一种表述知道它是热力学第二定律的另一种表述.5.能用熵增加原理解释生活中的一些现象能用熵增加原理解释生活中的一些现象.【重点】热力学第二定律的微观解释【重点】热力学第二定律的微观解释【难点】熵的概念【难点】熵的概念 本节我们将从本节我们将从微观微观角度，用角度，用统计观点统计观点来探讨这
3、种来探讨这种不可逆不可逆性，并由此深入认识热力学第二定律的本质。性，并由此深入认识热力学第二定律的本质。一、有序和无序一、有序和无序统计物理学最基本的概念统计物理学最基本的概念“有序有序”和和“无序无序”源于人们对生活的理解和提炼。源于人们对生活的理解和提炼。视频：视频：有序和无序的碰撞有序和无序的碰撞.mp4一、有序和无序一、有序和无序一副扑克牌，我们制定一个规则：一副扑克牌，我们制定一个规则：“必须按黑桃、红桃、梅花、方块的必须按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，而且从小到大排列。顺序，而且从小到大排列。”按这个规则排列的按这个规则排列的扑克牌，就是扑克牌，就是 的。的。有序有序一、有序和无序
4、一、有序和无序一副扑克牌，如果对每张牌的分布没有确定的要求：一副扑克牌，如果对每张牌的分布没有确定的要求：“怎样分布都可以。怎样分布都可以。”那么扑克牌那么扑克牌的排列的排列，就是，就是 的。的。无序无序一、有序和无序一、有序和无序（1 1）只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做）只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做 ；不符合某种；不符合某种确定规则的称为确定规则的称为 .（2 2）无序意味着）无序意味着 ，、，有序则相反，有序则相反有序有序无序无序各处都一样各处都一样平均平均没有差别没有差别一、有序和无序一、有序和无序A.A.必须按黑桃、红桃、梅花、方必须按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序
5、，而且从小到大排列。块的顺序，而且从小到大排列。B B必须按黑桃、红桃、梅花、必须按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序排列。方块的顺序排列。C C怎样排列都可以。怎样排列都可以。B B相对于相对于A A，比较，比较 ；但但B B相对于相对于C C，却比较，却比较 。无序无序有序有序一、有序和无序一、有序和无序（1 1）只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做）只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序有序：不符合某种确：不符合某种确定规则的称为定规则的称为无序无序.（2 2）无序意味着）无序意味着 各处都一样各处都一样 ，平均平均 、没有差别没有差别 ，有序则相反，有序则相反（3）有序和无序是）有
6、序和无序是 的。的。相对相对二、宏观态和微观态二、宏观态和微观态以身高各不相同的三人排队为例，以身高各不相同的三人排队为例，对对三人组成的系统而言：三人组成的系统而言：A规定三人必须排成一行规定三人必须排成一行符合这个规则的状态，称为系统的一个符合这个规则的状态，称为系统的一个宏观态宏观态。（宏观上表现为。（宏观上表现为“排成排成一行一行”。）。）符合这个规则，但是还有几个符合这个规则，但是还有几个“可能的状态可能的状态”，这几个，这几个“可能的状态可能的状态”，叫做这个宏观态对应的几个，叫做这个宏观态对应的几个微观态微观态。(这个宏观态有这个宏观态有6个个对应的微观态，对应的微观态，从宏观角
7、度来看，从宏观角度来看，6种情况都是种情况都是“排成了一行排成了一行”，但是从微观角度看，这是但是从微观角度看，这是6种不同的分布。种不同的分布。)二、宏观态和微观态二、宏观态和微观态以身高各不相同的三人排队为例，以身高各不相同的三人排队为例，对对三人组成的系统而言：三人组成的系统而言：B规定三人必须排成一行，且身高最高的那个必须在最左边。规定三人必须排成一行，且身高最高的那个必须在最左边。符合这个规则的状态，是系统的另一个宏观态。（宏观上表现为符合这个规则的状态，是系统的另一个宏观态。（宏观上表现为“排成排成一队，且最高的在左一队，且最高的在左”。）。）符合这个规则，也还有几个符合这个规则，
8、也还有几个“可能的状态可能的状态”，这几个，这几个“可能的状态可能的状态”，叫做这个宏观态对应的几个微观态。叫做这个宏观态对应的几个微观态。(这个宏观态只有这个宏观态只有2个个对应的微观态，对应的微观态，从宏观角度来看，从宏观角度来看，2种情况都是种情况都是“排成一队，且最高的在左排成一队，且最高的在左”，但是从微观，但是从微观角度看，这是两种不同的分布。角度看，这是两种不同的分布。)二、宏观态和微观态二、宏观态和微观态以身高各不相同的三人排队为例，以身高各不相同的三人排队为例，对对三人组成的系统而言：三人组成的系统而言：C规定三人必须排成一行，且从左往右由高到低排列。规定三人必须排成一行，且
9、从左往右由高到低排列。符合这个规则的状态，是系统的又一个宏观态。（宏观上表现为符合这个规则的状态，是系统的又一个宏观态。（宏观上表现为“排成排成一队，且从左往右由高到低一队，且从左往右由高到低”。）。）符合这个规则，只有一个符合这个规则，只有一个“可能的状态可能的状态”，这个宏观态对应的微观态只，这个宏观态对应的微观态只有有1个个。二、宏观态和微观态二、宏观态和微观态（1 1）宏观态和微观态：在统计物理学中，符合某种规则的状态，叫做热）宏观态和微观态：在统计物理学中，符合某种规则的状态，叫做热力学系统的力学系统的宏观态宏观态在一个规则下，即一个宏观态下，可能有不同方案，在一个规则下，即一个宏观
10、态下，可能有不同方案，每个方案就是一个每个方案就是一个_ _ _ _.即与一个宏观态对应的微观态可能不止一个即与一个宏观态对应的微观态可能不止一个.上述上述A、B、C三个宏观态，哪个最有序，哪个最无序呢？三个宏观态，哪个最有序，哪个最无序呢？（2 2）如果一个宏观态对应的微观态比较多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就说这个宏观态是比较 的的 在统计物理学里，把与某一宏观态相对应的在统计物理学里，把与某一宏观态相对应的微观态数目微观态数目称为称为热力学概率热力学概率（或（或热力学概率几率），符号为热力学概率几率），符号为（或（或W）。）。微观态微观态无序无序A规定三人必须排
11、成一行规定三人必须排成一行(6个微观态个微观态)B规定三人必须排成一行，且身高最高的那个必须在最左边。规定三人必须排成一行，且身高最高的那个必须在最左边。(2个微观态个微观态)C规定三人必须排成一行，且从左往右由高到低排列。规定三人必须排成一行，且从左往右由高到低排列。(1个微观态个微观态)1关于有序和无关于有序和无序、序、宏观态和微观态宏观态和微观态下下列说法正确的列说法正确的是是()A有序和无序不是绝对的有序和无序不是绝对的B一个一个“宏观态宏观态”可能对应着许多的可能对应着许多的“微观态微观态”C一个一个“宏观态宏观态”只能对只能对应应着一个着一个“微观态微观态”D无序意味着各无序意味着
12、各处都不一处都不一样、平均、没有差别样、平均、没有差别有序和无序是相对的有序和无序是相对的无序意味着无序意味着各处都一样各处都一样，平，平均、没均、没有差别有差别，有序则相反，有序则相反系统的宏观状态对应系统的宏观状态对应的的微观态的多少微观态的多少表现表现为宏观态为宏观态无序程度无序程度的的大小大小，一个，一个“宏观态宏观态”可能对应着可能对应着许多的许多的“微观态微观态”.AB练一练练一练气体气体真空真空 容器左右等体积，左部有气体，右部为真空容器左右等体积，左部有气体，右部为真空.抽去隔板气体自由膨胀抽去隔板气体自由膨胀.系统宏观态系统宏观态-规定分子在左、右两部分的分配数目，确定宏观态
13、规定分子在左、右两部分的分配数目，确定宏观态。系统微系统微观态观态-在某个宏观态下，分子分布的具体情况还有多种可能性。在某个宏观态下，分子分布的具体情况还有多种可能性。假定容器中有假定容器中有4个分子个分子，且从微观角度来看，分，且从微观角度来看，分子是可识别的。子是可识别的。三、气体向真空的扩散三、气体向真空的扩散(热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释)宏观分布宏观分布（宏观态）宏观态）可能可能的微观分布的微观分布（微观态）（微观态）抽出隔板后，抽出隔板后，4个分子在容器中可能的分布如图所示个分子在容器中可能的分布如图所示16414（无（无序程序程度）度）热力学概率热力学概率（微
14、观态数）（微观态数）宏观态宏观态出现的出现的概概率率1/166/164/161/164/1601234564个粒子分布个粒子分布 左左4 右右0 左左3 右右1 左左2 右右2 左左1 右右3 左左0 右右4假设所有的微观状态其出现的可能性是相同假设所有的微观状态其出现的可能性是相同的（参看课本标注）的（参看课本标注）4粒子情况，总状态数粒子情况，总状态数16，左左4右右0 和和 左左0右右4，几率各为，几率各为1/16；左左3右右1和和 左左1右右3，几率各为，几率各为1/4；左左2右右2，几率为几率为3/8.容器中有容器中有6个分子，个分子，在容器中的位置可能分布在容器中的位置可能分布4选
15、选2：66选选3：20N选选N/2：微观态数微观态数N=6.021023，微观态总数为微观态总数为2N，则：则：微观态数微观态数N/2Nn（左侧粒子数）（左侧粒子数）n分子平均分布（最无序）的概率：分子平均分布（最无序）的概率：分子全部分布到一侧分子全部分布到一侧（有（有序）的概率：序）的概率：几乎为几乎为100%几乎为几乎为0 若有若有4 4个分子，则观个分子，则观态共有态共有2 24 4=16=16种可能的方式，而且种可能的方式，而且4 4个分子全部退个分子全部退回到回到A A部的可能性部的可能性即概率即概率为为1/21/24 4=1/16=1/16。若有若有N N个分子，则共个分子，则共
16、2 2N N种可能方式，而种可能方式，而N N个分子全部退回到个分子全部退回到A A部的几部的几率率1/21/2N N。对于真实。对于真实1mol1mol理想气体系统理想气体系统N N 101023 23，10102323个分子个分子全部退回到全部退回到A A部的几率为部的几率为 。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。对单个分子或少量分子来说，它们扩散到对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B B部的过程原则上是可逆的。部的过程原则上是可逆的。对大量分子组成的宏观
17、系统来说，它们向对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B B部自由膨胀的宏观过程实部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释统计解释。三、气体向真空的扩散三、气体向真空的扩散(热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释)热力学第二定律的微观意义：热力学第二定律的微观意义：n一切自发过程总是沿着分子热运动一切自发过程总是沿着分子热运动的的 的的方向进行。方向进行。不可逆过程的本质：不可逆过程的本质：n系统从热力学概率小的状态系统从热力学概率小的状态向概向概率大的状态进行的过程。率大的状态进行的过程。自发过
18、程的规律：自发过程的规律：n概率小的状态（有序）概率小的状态（有序）概率大的状态概率大的状态（无序）（无序）三、气体向真空的扩散三、气体向真空的扩散(热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释)无序性增大无序性增大无序性增大无序性增大练一练练一练2.关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是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态转化的过程C.热传递的自然过程是大
19、量分子从无序程度小的运动状态向无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分子热运动无序程度小无序性增大无序性增大:无序程度大无序程度大CD为了研究的方便，玻耳兹曼用一个新的状态函数为了研究的方便，玻耳兹曼用一个新的状态函数熵熵 S来来表示系统无序性的大小表示系统无序性的大小.定义熵与热力学概率定义熵与热力学概率(微观态的数目微观态的数目)之间的关系为：之间的关系为：S=kln 其中其中k为玻耳兹曼常量
20、，上式称为玻为玻耳兹曼常量，上式称为玻耳兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式耳兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式.熵的微观意义：熵的微观意义：系统内分子运系统内分子运动的动的 量量度度.四、四、熵、熵增加原理熵、熵增加原理无序性无序性用熵用熵 S 代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：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它是不可逆的，平衡态相应于熵最大值的状态.热力学第二热力学第二定律的这一表述称为定律的这一表述称为熵增加原理熵增加原理.四、四、熵、熵增加原
21、理熵、熵增加原理日常现象与熵增加原理日常现象与熵增加原理四、四、熵、熵增加原理熵、熵增加原理四、四、熵、熵增加原理熵、熵增加原理练一练练一练3.对于孤立体系中发生对于孤立体系中发生的自发过的自发过程，下列说法中正确的是程，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，还可能减小系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小C.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展在孤立体系中发生在孤立体系中
22、发生的自发过的自发过程，程，其系统的总熵是增加的其系统的总熵是增加的系统只能是从系统只能是从比较有序比较有序的的状态向状态向更无序更无序的状态发展的状态发展熵增加原理熵增加原理AC想想一一想想【思考思考】4.一桶浑浊的水，静置一段时间后，泥沙沉降到桶底部，水变一桶浑浊的水，静置一段时间后，泥沙沉降到桶底部，水变得清澈了。对于水和泥沙构成的系统而言，沉降过程中系统的熵是增大还得清澈了。对于水和泥沙构成的系统而言，沉降过程中系统的熵是增大还是减小？为什么？是减小？为什么？熵减小了。因为无序程度降低了。（水是水，沙是沙，更有序了。）熵减小了。因为无序程度降低了。（水是水，沙是沙，更有序了。）沉降不是
23、自发过程，而是重力对泥沙做功的结果。如果在失重环境下，静沉降不是自发过程，而是重力对泥沙做功的结果。如果在失重环境下，静置再怎么长的时间，浊水也不会变得清澈。置再怎么长的时间，浊水也不会变得清澈。拓展拓展视频：视频：麦克斯韦妖如何逆转熵增麦克斯韦妖如何逆转熵增.mp419世纪世纪70年代，麦克斯韦假想了一个实验：年代，麦克斯韦假想了一个实验：一个绝热容器被等分为两部分，中间是由一个绝热容器被等分为两部分，中间是由一只小妖精控制着的门，这个妖精可以通一只小妖精控制着的门，这个妖精可以通过控制这个门，可以让运动较慢的分子和过控制这个门，可以让运动较慢的分子和运动较慢的分子分居在容器的两部分。这运动
24、较慢的分子分居在容器的两部分。这就是著名的就是著名的“麦克斯韦妖麦克斯韦妖”，它可以减少，它可以减少系统的熵。系统的熵。你不能说你不能说“麦克斯韦妖麦克斯韦妖”是违背热力学第是违背热力学第二定律的，因为这个妖需要获取相当多的二定律的，因为这个妖需要获取相当多的“信息信息”才能使粒子分离。而信息是负熵。才能使粒子分离。而信息是负熵。这个系统在这个小妖精的影响下，其实已这个系统在这个小妖精的影响下，其实已经不是一个封闭系统了。如果把小妖精和经不是一个封闭系统了。如果把小妖精和“信息信息”也考虑进去，系统的熵随着时间也考虑进去，系统的熵随着时间的推移还是增加的。的推移还是增加的。这个小妖精困惑物理学
25、家将近这个小妖精困惑物理学家将近150年。年。表述二：热转功的条件（否定第二类永动机）表述二：热转功的条件（否定第二类永动机）热热力力学学定定律律第一定律：第一定律：（否定第一类永动机）（否定第一类永动机）第二定律第二定律U=Q+WU=Q+W第零定律：热平衡定律（测温依据）第零定律：热平衡定律（测温依据）表述一：热传导的宏观方向性表述一：热传导的宏观方向性表述三：熵增加原理（孤立系统有序表述三：熵增加原理（孤立系统有序 无无序）序）自发自发第三定律：无法冷却到绝对零度第三定律：无法冷却到绝对零度-273.15小结小结作业作业1.1.通过网络搜索，了解物理学的四大神兽之一通过网络搜索，了解物理学的四大神兽之一“麦克斯麦克斯韦妖韦妖”和和 “信息熵信息熵”。2.2.完成完成课时分层作业课时分层作业下下 课课