人教版高中物理选修3-3第10章第5节热力学第二定律的微观解释课件.ppt
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- 人教版 高中物理 选修 10 热力学第二定律 微观 解释 课件
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1、热功转换热功转换完全完全功功不完全不完全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VVV自发自发外力压缩外力压缩第十章第十章 热力学定律热力学定律表述二: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)热力学定律热力学定律第一定律: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 无序)无序)自发
2、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-273.1510.5 热力学第二定律热力学第二定律的微观解释的微观解释1.1.有序和无序有序和无序有序:只要确定了某种规则,符合这个规则的就叫做有序:只要确定了某种规则,符合这个规则的就叫做有序。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,有序则相反。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。有序和无序是相对的。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,叫做热力学系宏观态:符合某种规定、规则的状态,叫做热力学系
3、统的宏观态。统的宏观态。微观态:在宏观状态下,符合另外的规定、规则的状微观态: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观态。态叫做这个宏观态的微观态。系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无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。如果一个序程度的大小。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,就说这个比较多,就说这个“宏观态宏观态”是比较无序的,同时也是比较无序的,同时也决定了宏观过程的方向性决定了宏观过程的方向性从有序到无序。从有序到无序。下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义,并下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义,并由此
4、深入认识第二定律的本质。由此深入认识第二定律的本质。热力学第二定律的热力学第二定律的微观意义微观意义:一切自然过程总是沿着一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。无序性增大的方向进行。在热力学中,在热力学中,序:区分度。序:区分度。对于一个热力学系统,如果处于非平衡态,我们对于一个热力学系统,如果处于非平衡态,我们认为它处于有序的状态,如果处于平衡态,我们认为认为它处于有序的状态,如果处于平衡态,我们认为它处于无序的状态。它处于无序的状态。3.3.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义 以气体自由膨胀为例以气体自由膨胀为例n一个被隔板
5、分为一个被隔板分为A A、B B相等两部分的容器,装有相等两部分的容器,装有4 4个涂以个涂以不同颜色的气体分子。不同颜色的气体分子。n开始时,开始时,4 4个分子都在个分子都在A A部,抽出隔板后分子将向部,抽出隔板后分子将向B B部扩部扩散并在整个容器内无规则运动。散并在整个容器内无规则运动。ABn隔板抽出后,隔板抽出后,4 4个气体分子在容器中可能的分布情形个气体分子在容器中可能的分布情形宏观分布宏观分布微观状态微观状态 微观态数微观态数14461n微观态共有微观态共有2 24 4=16=16种可能的方式,而种可能的方式,而且且4 4个分子全部退回个分子全部退回到到A A部的可能性即几部
6、的可能性即几率为率为1/21/24 4=1/16=1/16。n一般来说,若有一般来说,若有N N个分子,则共有个分子,则共有2 2N N 种可能方式,而种可能方式,而N N个个分子全部退回到分子全部退回到A A部的几率部的几率1/21/2N N.对于真实理想气体系统对于真实理想气体系统N N 10102323/mol/mol,这些分子,这些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。此数值极小,意味着此事件永远不会发生。数值极小,意味着此事件永远不会发生。231021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
7、)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与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为热力学几率。记为 。在上例中,均匀分布这种宏观态,相应的微观态最多,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。热力学几率最大,实际观测到的可能性或几率最大。所以,实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。所以,实际观测到的总是均匀分布这种
8、宏观态。即系统最后所达到的平衡态。即系统最后所达到的平衡态。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,此比值几乎或实际上为率的总和相比,此比值几乎或实际上为100%100%。热力学第二定律的统计表述:热力学第二定律的统计表述:孤立系统内部所发生的过程总是从微观态数孤立系统内部所发生的过程总是从微观态数少的宏观态向微观态数多的宏观态过渡,从热力少的宏观态向微观态数多的宏观态过渡,从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。学几率小的
9、状态向热力学几率大的状态过渡。S=klnn熵和系统内能一样,是一个状态函数,仅由系熵和系统内能一样,是一个状态函数,仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看,熵是统的状态决定。从分子运动论的观点来看,熵是分子热运动无序分子热运动无序(混乱混乱)程度的定量量度。程度的定量量度。n熵增加原理:在任何自然过程中,一个孤立系熵增加原理:在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵是不会减少的。统的总熵是不会减少的。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
10、统内部所发生的过程孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏总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向包含微观态数多的宏观态过渡,从热力学几率小观态过渡,从热力学几率小的状态向热力学几率大的状的状态向热力学几率大的状态过渡。态过渡。自然过程总是向着自然过程总是向着使系统热力学几率使系统热力学几率增大的方向进行。增大的方向进行。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
11、 1)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。4.4.熵与熵增加原理熵与熵增加原理 “熵熵”是什么?是什么?“熵熵”是德国物理学家克劳修斯在是德国物理学家克劳修斯在18501850年创造的一个术语,他用熵来表示任何一种能量年创造的一个术语,他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀,熵就越在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀,熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说,能量完全大。如果对于我们所考虑的那个系统来说,能量完全均匀地分布,那么这个系统的熵就达到最大值。均匀地分布,那么这个系统的熵就达到最大值
12、。简单的说,简单的说,“熵熵”就是微观粒子的无序程度、能量就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。差别的消除程度。在克劳修斯看来,在一个封闭的系统中,运动总是在克劳修斯看来,在一个封闭的系统中,运动总是从有序到无序发展的。从有序到无序发展的。比如,把一块冰糖放入水中,结果整杯水都甜了。这比如,把一块冰糖放入水中,结果整杯水都甜了。这就是说,糖分子的运动扩展到了整杯水中,它们的运就是说,糖分子的运动扩展到了整杯水中,它们的运动变得更加无序了。对于一个封闭的系统,能量差也动变得更加无序了。对于一个封闭的系统,能量差也总是倾向于消除的。比如,有水位差的两个水库,如总是倾向于消除的。比如,有水位差
13、的两个水库,如果把它们连接起来,那么,重力就会使一个水库的水果把它们连接起来,那么,重力就会使一个水库的水面降低,而使另一个水库的水面升高,直到两个水库面降低,而使另一个水库的水面升高,直到两个水库的水面均等,势能取平为止。的水面均等,势能取平为止。克劳修斯总结说,自然界中的一个普遍规律是:运克劳修斯总结说,自然界中的一个普遍规律是:运动总是从有序到无序,能量的差异总是倾向变成均等,动总是从有序到无序,能量的差异总是倾向变成均等,也即也即“熵将随着时间而增大熵将随着时间而增大”。可爱的熵可爱的熵 物理学中有个熵定律,也就是著名的热力学第二定律。物理学中有个熵定律,也就是著名的热力学第二定律。熵
14、的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序,是无效能量熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序,是无效能量的总和。熵本身既不是好事,也不是坏事;它意味着腐的总和。熵本身既不是好事,也不是坏事;它意味着腐败和混乱,但它同时也意味着生命本身的展开败和混乱,但它同时也意味着生命本身的展开不论不论是有机的,还是无机的生命。卡农、乔治是有机的,还是无机的生命。卡农、乔治梅特勒的大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
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