10.5热力学第二定律的微观案例介绍.ppt

* 导 入 新 课 热传导，以温度作为标准，热量总是从高温物体传向低温物体，直到温度相等为止。 气体扩散以密度作为标准，从密度大地方向密度小的地方扩散，直到密度相同时为止。 想一想 既然各种不可逆过程是相互关联的，相互一致的。那么能不能找出一个物理量来作为共同标准，来判断任按统计规律任何不可逆过程的方向与限度呢？而宏观表现总是源于微观统计规律，所以可以从微观来寻找答案。 第五节 热力学第二定律的微观解释 教 学 目 标 知识与能力 1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。 2.了解热力学第二定律的微观意义。 3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。 4.知道随着条件的变化，熵是变化的。 过程与方法 1. 学会通过现象总结规律的科学方法。 2. 知道熵的概念，知道任何自然过程中一个孤立系统的总熵不会减少。 情感与价值观 有参与实验总结规律的热情，从而能更方便的解决实际问题。 再次体会学以致用，结合身边的例子发现生活中的物理知识。 重点 难点 1.有序和无序，宏观态和微观态的概念。 2.热力学第二定律的微观意义。 3.熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。 内 容 解 析 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。 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。 有序和无序是相对的。 学员休息时杂乱无章，集合哨一响，队员迅速归队，队伍整齐划一。 宏观态与微观态 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。 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。 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“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序 。 热力学第二定律的微观意义 下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认识第二定律的本质。 一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色分子。开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下图所示： 不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例） 分布 （宏观态） 详细分布 （微观态） 1 4 6 4 1 微观态共有24=16种可能的方式，而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16。 一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N?1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为 。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。 对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部的过程原则上是可逆的。 对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。 第二定律的统计表述（依然看前例） 分布 （宏观态） 详细分布 （微观态） 上边一列的各种分布仅指出A、B两边各有几个分子，代表的是系统可能的宏观态。中间各列是详细的分布，具体指明了这个或那个分子各处于A或B哪一边，代表的是系统的任意一个微观态。 4个分子在容器中的分布对应5种宏观态。对应若干种一种宏观态微观态。不同的宏观态对应的微观态数不同。 均匀分布对应的微观态数最多。 全部退回A边仅对应一种微观态 统计物理基本假定—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。 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。 定义热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为? 。 在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。 对于1023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，此比值几乎或实际上为100%。 平衡态相应于一定宏观条件下? 最大的状态。 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包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大