人教版高中物理选修(33)105《热力学第二定律的微观解释》课件.pptx

1、 热力学第二定律指出，一切与热现象有关热力学第二定律指出，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。在一定条件下，的宏观自然过程都是不可逆的。在一定条件下，系统有从非平衡态过渡到平衡态的自然倾向，这系统有从非平衡态过渡到平衡态的自然倾向，这种倾向总是单向不可逆的。从微观上看，过程的种倾向总是单向不可逆的。从微观上看，过程的不可逆性与系统的大量分子的无规则运动是分不不可逆性与系统的大量分子的无规则运动是分不开的。今以开的。今以气体向真空的自由膨胀气体向真空的自由膨胀为例，用微观为例，用微观的统计平均方法的统计平均方法 ，从本质上说明热力学第二定律，从本质上说明热力学第二定律的统计意义。的统计意

2、义。1.1.有序和无序有序和无序 有序：只要确定了某种规则，符合这个规则有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的的 就叫做有序。就叫做有序。无序：不符合某种确定规则的称为无序。无序：不符合某种确定规则的称为无序。无序意味着各处都一样，平均、没有差别，无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。有序和无序是相对的。有序则相反。有序和无序是相对的。有序和无序有序和无序 宏观态和微观态宏观态和微观态2.2.宏观态和微观态宏观态和微观态宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热 力学系统的宏观态。力学系统的宏观态。微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规微观

3、态：在宏观状态下，符合另外的规定、规 则的状态叫做这个宏观态的微则的状态叫做这个宏观态的微观态观态系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏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。如果一个观态无序程度的大小。如果一个“宏观态宏观态”对对应的应的“微观态微观态”比较多，就说这个比较多，就说这个“宏观态宏观态”是比较无序的是比较无序的.气体真空 以气体自由膨胀不可逆性来说明以气体自由膨胀不可逆性来说明 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。胀。系统宏观态系统宏观态-用分子左、右两部分的分配数目表示用

4、分子左、右两部分的分配数目表示 系统微观态系统微观态-用分子处在某一部分的具体情况表示。用分子处在某一部分的具体情况表示。假定容器中有假定容器中有4个分子的情况，分子是可识别的个分子的情况，分子是可识别的微观态：微观态：3 3、序和微观态间关系序和微观态间关系 14641 分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态（微观态）抽出隔板后，抽出隔板后，4 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：0 01 12 23 34 45 56 64 4个粒子分布个粒子分布 左左4 4 右右0 0 左左3 3 右右1 1 左左2 2 右右2 2 左左1 1 右右3 3

5、左左0 0 右右4 4假设所有的微观状态其出现的可能性是相同的。假设所有的微观状态其出现的可能性是相同的。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 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N=1023，微观状态数目用微观状态数目用 表示，表示，则则N/2Nn（左侧粒子数）（左侧粒子数）n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？统计物理基本假定统计物理基本假定等几率原理：对于孤立

6、系，各种等几率原理：对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。微观态出现的可能性（或几率）是相等的。各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微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。观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。定义定义热力学几率热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为热力与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为学几率。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。学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。所以，实际观测

7、到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最所以，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。后所达到的平衡态。对于对于10102323个分子组成的宏观系统来说，均匀分布这种宏观态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，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此比值几乎或实际上为100%100%。对整个宇宙不适用。对整个宇宙不适用。如布朗运动。如布朗运动。平衡态相应于一定宏观平衡态相应于一定宏观条件下条件下 最大的状态。最大的状态。热力学第二定律的统计表述：热力学第二定律的统计表述：孤立系统内

8、部所发生的过程总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渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。热力学几率大的状态过渡。自然过程总是向着使自然过程总是向着使系统热力学几率增大系统热力学几率增大的方向进行。的方向进行。4.4.热力学第二定律的适用范围热力学第二定律的适用范围注意：注意：微观状态数微观状态数最大的平衡态状态最大的平衡态状态是最混乱、最无序是最混乱、最无序的状态。的状态。一切自然过程总是一切自然过程总是沿着无序性增大的沿着无序性增大的方向进行。方向进行。1 1

9、）适用于宏观过程）适用于宏观过程对微观过程不适用，对微观过程不适用，2 2）孤立系统有限范围）孤立系统有限范围,为了研究的方便，玻耳兹曼用一个新为了研究的方便，玻耳兹曼用一个新的状态函数的状态函数熵熵 S S来表示系统无序性的大小来表示系统无序性的大小。定义熵与热力学概率之间的关系为：定义熵与热力学概率之间的关系为：S=kln 其中其中k为玻耳兹曼常量为玻耳兹曼常量，上式称为玻耳兹曼关系式，上式称为玻耳兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式。或玻耳兹曼熵公式。用熵用熵 S S 代替热力学概率后，热力学第二定律可代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：以表述为：在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵增在孤

10、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的状态。热力学第二定律的这一表述称为。热力学第二定律的这一表述称为熵增加原理熵增加原理。熵的微观意义：熵的微观意义：系统内分子热运动无序性的量度。系统内分子热运动无序性的量度。一一.熵及熵增原理熵及熵增原理1玻尔兹曼熵公式：2熵增原理：孤立系统内，熵的数值永不减小，即：3热力学第二定律的适用范围 大量分子 有限的宏观物质系统二二 熵概念的重要意义熵概念的重要意义1联系热力学与统计力学如平衡态，最大，即平衡态为最可几趋势但不是唯一可能趋势2应用范围非常广阔 爱因

11、斯坦称之为“第一法则”；它渗透到许多学科，与生命、环境、社会等密切相关3.不可逆过程总是向熵增加的方向进行的.因此用增加可判断进程进行的方向和限度.三三熵增加原理与热力学第二定律熵增加原理与热力学第二定律 熵增加原理是把热现象的不可逆过程进行的方向和限度进行数量上的描述,因此它是热力学第二定律的数学表示.熵熵 熵增加原理熵增加原理 编后语 老师上课都有一定的思路，抓住老师的思路就能取得良好的学习效果。在上一小节中已经提及听课中要跟随老师的思路，这里再进一步论述听课时如何抓住老师的思路。根据课堂提问抓住老师的思路。老师在讲课过程中往往会提出一些问题，有的要求回答，有的则是自问自答。一般来说，老师

12、在课堂上提出的问题都是学习中的关键，若能抓住老师提出的问题深入思考，就可以抓住老师的思路。根据自己预习时理解过的逻辑结构抓住老师的思路。老师讲课在多数情况下是根据教材本身的知识结构展开的，若把自己预习时所理解过的知识逻辑结构与老师的讲解过程进行比较，便可以抓住老师的思路。根据老师的提示抓住老师的思路。老师在教学中经常有一些提示用语，如“请注意”、“我再重复一遍”、“这个问题的关键是”等等，这些用语往往体现了老师的思路。来自：学习方法网 紧跟老师的推导过程抓住老师的思路。老师在课堂上讲解某一结论时，一般有一个推导过程，如数学问题的来龙去脉、物理概念的抽象归纳、语文课的分析等。感悟和理解推导过程是一个投入思维、感悟方法的过程，这有助于理解记忆结论，也有助于提高分析问题和运用知识的能力。搁置问题抓住老师的思路。碰到自己还没有完全理解老师所讲内容的时候，最好是做个记号，姑且先把这个问题放在一边，继续听老师讲后面的内容，以免顾此失彼。来自：学习方法网 利用笔记抓住老师的思路。记笔记不仅有利于理解和记忆，而且有利于抓住老师的思路。2022-11-21最新中小学教学课件172022-11-21最新中小学教学课件18谢谢欣赏！