描述无序程度的物理量-课件1.ppt

1、描述无序程度的物理量描述无序程度的物理量一、热力学第三定律一、热力学第三定律2、热力学第三定律内容：、热力学第三定律内容：不可能通过有限的不可能通过有限的过程把物体冷却到绝对零度。过程把物体冷却到绝对零度。说明绝对零度不可能到达，只能接近。说明绝对零度不可能到达，只能接近。1、热力学温度、热力学温度T与摄氏温度与摄氏温度t之间的换算之间的换算KtT15.273热力学第一定律：热力学第一定律：物体内能的增加等于物体从物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与外界对物体所做的功的总和。外界吸收的热量与外界对物体所做的功的总和。热力学第二定律：热力学第二定律：表述一：表述一：不可能使热量由低温物体传递

2、到高温不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不产生其他变化。物体，而不产生其他变化。（按热传导的方向（按热传导的方向性表述）性表述）表述二：表述二：不可能从单一热源吸收热量并把它全不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。部用来做功，而不引起其他变化。（按能量转（按能量转化的方向性表述）化的方向性表述）燃料燃料热机热机机械功机械功没有得到利用的能量没有得到利用的能量利用价利用价值高的值高的能量能量利用价值低利用价值低的能量的能量能量的品能量的品质质“退化退化”二、能量的耗散与退化二、能量的耗散与退化有序向无序的转化有序向无序的转化热传递热传递温度的温度的“不均匀不均匀”“

3、均均匀匀”气体膨胀气体膨胀气体分子密集程度的气体分子密集程度的“不均匀不均匀”“均匀均匀”“不均匀不均匀”有有序序“均匀均匀”无序无序系统自发的过程总是从有序到无序的。系统自发的过程总是从有序到无序的。（一）、有序和无序宏观态和微观态（一）、有序和无序宏观态和微观态1系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的_2系统的宏观状态所对应的微观态的多少表现为宏观态的系统的宏观状态所对应的微观态的多少表现为宏观态的_ 和和_，即对应微观态少的宏观态称为，即对应微观态少的宏观态称为_，而对应微观态，而对应微观态 多的宏观态称为多的宏观态称为_（二）、热力学第二定律的微观

4、意义（二）、热力学第二定律的微观意义1气体向真空的扩散气体向真空的扩散 气体的自由扩散过程是沿着无序性气体的自由扩散过程是沿着无序性_的方向进行的的方向进行的2热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性_的方向进的方向进 行行统计规律统计规律无序无序有序有序有序有序无序无序增大增大增大增大物理学中用字母物理学中用字母表示一个宏观状态所对应的微观状态的表示一个宏观状态所对应的微观状态的_，用字母，用字母S表示熵，则表示熵，则SkLn 式中式中k叫做玻耳兹曼常数叫做玻耳兹曼常数（三）、熵（三）、熵1 1熵的概念熵的

5、概念2 2熵增加原理熵增加原理数目数目熵是表征系统的无序程度的物理量，熵越大，系熵是表征系统的无序程度的物理量，熵越大，系统的无序程度越高。统的无序程度越高。任何孤立系统，它的总熵永远不会减小；或者说，任何孤立系统，它的总熵永远不会减小；或者说，自然界的一切自发过程，总是朝着熵增加的方向自然界的一切自发过程，总是朝着熵增加的方向进行的。进行的。熵增加原理。也就是热力学第二定熵增加原理。也就是热力学第二定律的另一种表述律的另一种表述（四）、能量耗散和品质降低（四）、能量耗散和品质降低1能量耗散：有序度较高能量耗散：有序度较高(集中度较高集中度较高)的能量转化为的能量转化为_，流散到环境中无法重新

6、收集起来加以利用的现象流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象2各种形式的能量向内能转化方向是无序程度较小向无序各种形式的能量向内能转化方向是无序程度较小向无序 程度较大的转变，是能程度较大的转变，是能_、全额发生的、全额发生的3能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化 过程具有过程具有_4能量耗散虽然不会导致能量总量的减少却会导致能量品能量耗散虽然不会导致能量总量的减少却会导致能量品 质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降 级为不大可用的低品质形式级为不大可用的低品质形式内能内

7、能自动发生自动发生方向性方向性三、能源与环境能源的开发和利用三、能源与环境能源的开发和利用1.能量耗散能量耗散集中度较高因而也是有序度较高的能量集中度较高因而也是有序度较高的能量(如机械如机械能、电能、化学能等能、电能、化学能等)，当它们变为环境的内能，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散因而也是无序性更大的能后，就成为更加分散因而也是无序性更大的能量我们无法把这些分散的内能重新收集起来再量我们无法把这些分散的内能重新收集起来再加以利用，这样的转化过程叫做能量耗散加以利用，这样的转化过程叫做能量耗散2.能量品质降低各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态转化，是能

8、够自动发生，全额发生的，而内能向机械能的转化是有条件的即环境中必须存在着温度差因而内能不能全额转化为机械能而不引起其他变化因此，从可被利用的价值来看，内能与机械能、电能等相比较是一种低品质的能源3.节约能源能量耗散虽然不能使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式变为不大可利用的形式故能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源确定了某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的确定了某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序的规则和要求的分布是无序的(1)无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相无序意味着各处都一样、平均

9、、没有差别；而有序则是相反反(2)有序和无序是相对的有序和无序是相对的举例：一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、草花、方块的顺序排举例：一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、草花、方块的顺序排列，但对号码的大小不做要求，这样的排列对于完全杂乱的一列，但对号码的大小不做要求，这样的排列对于完全杂乱的一副牌来说是有序的，但对于不仅有花样方面的要求，而且对号副牌来说是有序的，但对于不仅有花样方面的要求，而且对号码顺序也有要求的排列来说，就是无序的了码顺序也有要求的排列来说，就是无序的了一、如何理解有序和无序、宏观态和微观态？一、如何理解有序和无序、宏观态和微观态？1有序和无序有序和无序当我们以系统的分子数分布而不

10、区分具体的分子来描写的系统当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的宏观态；如果使用分子数分布并且区分具状态叫热力学系统的宏观态；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热力学系统的微观态体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的微观态(1)在热力学系统中，由于存在大量粒子的无规则热运动，任一在热力学系统中，由于存在大量粒子的无规则热运动，任一时刻各个粒子处于何种运动状态完全是偶然的，而且又都随时时刻各个粒子处于何种运动状态完全是偶然的，而且又都随时间无规则地变化着系统中各个粒子运动状态的每一种分布，间无规则地变化着系统中各个粒子运动状态的每一种分布，都

11、代表系统的一个微观态，系统的微观态的数目是大量的，在都代表系统的一个微观态，系统的微观态的数目是大量的，在任意时刻系统随机地处于其中任意一个微观态任意时刻系统随机地处于其中任意一个微观态(2)规定了某种规则，我们就规定了一个规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态宏观态”，这个，这个“宏观宏观态态”可能包含一种或几种可能包含一种或几种“微观态微观态”，不同的，不同的“宏观态宏观态”对应的对应的“微微观态观态”的个数不同如果一个的个数不同如果一个“宏观态宏观态”对应的对应的“微观态微观态”比较比较多，就说这个多，就说这个“宏观态宏观态”是比较无序的是比较无序的2宏观态和微观态宏观态和微观态我们所

12、说的有序状态，指的是对应着较少微观态的宏观我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态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着无序发展的态，因此自发的过程总是从有序向着无序发展的SkLn(1)既然微观态的数目既然微观态的数目是分子运动无序性的一种量度，由是分子运动无序性的一种量度，由于于越大，熵越大，熵S也越大，那么熵也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动自然也是系统内分子运动无序性的量度无序性的量度(2)熵是热力学中的一个重要的状态函数熵是热力学中的一个重要的状态函数(或叫状态参量或叫状态参量)，热力

13、学系统热力学系统(研究对象研究对象)处于任何一个状态都对应着一个熵处于任何一个状态都对应着一个熵二、热力学第二定律与熵二、热力学第二定律与熵1热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释2熵的概念熵的概念函数，熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章函数，熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度熵值越大的状态，系统内粒子热运动就越混乱无的程度熵值越大的状态，系统内粒子热运动就越混乱无序；熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无序性就越小序；熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无序性就越小(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由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是

14、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，其原因并非因为有序是不可能的，而是因为熵总是增加的，其原因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把事情搞得乱通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多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，而熵值较大孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态

15、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度更大的代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则方向发展如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加熵增加熵增大原理熵增大原理 一个箱子被分成一个箱子被分成A、B两室，有四个不同颜色的小球被两室，有四个不同颜色的小球被放在箱子中，象征着封闭系统进入了一个自发的过程，则放在箱子中，象征着封闭系统进入了一个自发的过程，则A、B两室中的小球在箱中共有多少种可能？每种可能称为两室中的小球在箱中共有多少种可能？每种可能称为一个宏观态，则每种宏观态对应的微观态有多少种？试用一个宏观

16、态，则每种宏观态对应的微观态有多少种？试用图例说明图例说明解析解析设有红、黄、蓝、绿四个小球，把它们按如下方式设有红、黄、蓝、绿四个小球，把它们按如下方式放入箱中，如图所示放入箱中，如图所示【例例1】宏观态与微观态宏观态与微观态如果不区分小球的颜色，则只会出现如图所示的如果不区分小球的颜色，则只会出现如图所示的5种可种可能，即有能，即有5个宏观态，而每种宏观态下，个宏观态，而每种宏观态下，A中的小球可以是中的小球可以是四种颜色中的任意几种的组合，由排列组合的知识知道，四种颜色中的任意几种的组合，由排列组合的知识知道，宏观态宏观态(1)对应对应1个微观态，宏观态个微观态，宏观态(2)对应对应4个

17、微观态，宏个微观态，宏观态观态(3)对应对应6个微观态，宏观态个微观态，宏观态(4)对应对应4个微观态，宏观个微观态，宏观态态(5)对应对应1个微观态，即共存在个微观态，即共存在16个微观态如图所示个微观态如图所示答案答案见解析见解析借题发挥借题发挥解题时应明确宏观态和微观态的定义，特别是解题时应明确宏观态和微观态的定义，特别是它们的区别它们的区别是否区分每个分子；还要能熟练运用排列是否区分每个分子；还要能熟练运用排列组合知识，在分析微观态的时候，应该有一个顺序，这样组合知识，在分析微观态的时候，应该有一个顺序，这样才能避免微观态的多余或遗漏才能避免微观态的多余或遗漏 下列说法中正确的是下列说

18、法中正确的是 ()A机械能和内能之间的转化是可逆的机械能和内能之间的转化是可逆的B气体向真空的自由膨胀是可逆的气体向真空的自由膨胀是可逆的C如果一个如果一个“宏观态宏观态”对应的对应的“微观态微观态”比较多，就说明这比较多，就说明这 个个“宏观态宏观态”是比较有序的是比较有序的D如果一个如果一个“宏观态宏观态”对应的对应的“微观态微观态”比较多，就说明这比较多，就说明这 个个“宏观态宏观态”是比较无序的是比较无序的解析解析一切热现象的宏观过程都是不可逆的，故一切热现象的宏观过程都是不可逆的，故A、B错，微观态越多越无序，故选错，微观态越多越无序，故选D.答案答案D【变式变式1】关于热力学第二定

19、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 向进行向进行【例例2】热力学第二定律的

20、微观意义热力学第二定律的微观意义解析解析分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就序，而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就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，故选状态转化的过程，故选C、D.答案答案CD借题发挥借题

21、发挥解此类题目要理解好有序和无序，确定某种规解此类题目要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序的求的分布是无序的无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的，种规则排列的，有序与无序是相对的，关于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确关于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是的是 ()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

22、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解析解析在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵总是在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵总是增加的，它不可能减小，故增加的，它不可能减小，故A正确、正确、B错误根据熵增加错误根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展，故展，故C正确、正确、D错误错误答案答案AC【变式变式2】自发的过程总是倾向于出现较多自发的过程总是倾

23、向于出现较多_对应的宏观态，对应的宏观态，因此自发的过程总是从因此自发的过程总是从_向着向着_发展的发展的答案答案微观态有序无序微观态有序无序向一锅开水投入了向一锅开水投入了5个糖馅的甜汤圆，随后投入了个糖馅的甜汤圆，随后投入了5个肉馅个肉馅的咸汤圆，甜、咸汤圆在沸水中翻滚，象征着封闭系统进的咸汤圆，甜、咸汤圆在沸水中翻滚，象征着封闭系统进入了一个自发的过程，随后，用两只碗各盛了入了一个自发的过程，随后，用两只碗各盛了5个汤圆，个汤圆，每碗汤圆中共有六种可能：每碗汤圆中共有六种可能：宏观态与微观态宏观态与微观态12全是甜的全是甜的全是咸的全是咸的1甜甜4咸咸4甜甜1咸咸这是四种不平衡的宏观态；

24、这是四种不平衡的宏观态；2甜甜3咸咸3甜甜2咸咸这是两种相对平衡的宏观态这是两种相对平衡的宏观态两只碗各盛两只碗各盛5个汤圆共有个汤圆共有32种组合方式，我们称为种组合方式，我们称为32个微个微观态，试问：观态，试问：(1)以上六种宏观态所对应的微观态的个数各是多少？请设以上六种宏观态所对应的微观态的个数各是多少？请设计一个图表来表示计一个图表来表示(2)以上相对平衡的宏观态出现的概率是多少？以上相对平衡的宏观态出现的概率是多少？解析解析(1)宏观态对应的微观态个数宏观态对应的微观态个数.宏观宏观态态全是全是甜的甜的全是全是咸的咸的1甜甜4咸咸4甜甜1咸咸2甜甜3咸咸3甜甜2咸咸微观态微观态个

25、数个数11551010(2)相对平衡的宏观态出现的概率为：相对平衡的宏观态出现的概率为：答案答案见解析见解析下列关于熵的说法中错误的是下列关于熵的说法中错误的是 ()A熵是系统内分子运动无序性的量度熵是系统内分子运动无序性的量度B在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的C热力学第二定律也叫做熵减小原理热力学第二定律也叫做熵减小原理D熵值越大代表越无序熵值越大代表越无序解析解析一切自发过程总是向着分子热运动的无序性增大的方一切自发过程总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义系统的热力学向进行，这就是热力学第二定律的微

26、观意义系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程自然过过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理因此理因此A、B、D说法正确，说法正确，C说法错误说法错误答案答案C热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义3下列关于熵的说法中正确的是下列关于熵的说法中正确的是 ()A熵是热力学中的一个状态量熵是热力学中的一个状态量B熵是热力学中的一个过程量熵是热力学中的一个过程量C熵值越大，无序程度越大熵值越大，无序程度越大D熵值越小，无序程度越大熵值越小，无序程度越大解析解析熵值越大，无序程度越大，且熵是状态量熵值越大，无序程度越大，且熵是状态量答案答案AC4