學(xué)高中物理人教選修同步輔導(dǎo)與檢測第節(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋PPT課件

1、熱力學(xué)第三定律是否存在低溫的極限？1702年，法國物理學(xué)家阿蒙頓已經(jīng)提到了“絕對零度”的概念他從空氣受熱時(shí)體積和壓強(qiáng)都隨溫度的增加而增加，設(shè)想在某個(gè)溫度下空氣的壓強(qiáng)將等于零根據(jù)他的計(jì)算，這個(gè)溫度就是后來提出的攝氏溫標(biāo)約239 .后來，蘭伯特更精確地重復(fù)了阿蒙頓實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出這個(gè)溫度為270.3 ，并認(rèn)為在這個(gè)“絕對的冷”的情況下，空氣將緊密地?cái)D在一起他們的這個(gè)看法沒有得到人們的重視直到蓋呂薩克定律提出之后，存在絕對零度的思想才得到物理學(xué)界的普遍承認(rèn)1848年，英國物理學(xué)家開爾文在確立熱力學(xué)溫標(biāo)時(shí)，重新提出了絕對零度是溫度的下限第1頁/共23頁1906年，德國物理學(xué)家能斯特在研究低溫條件下物質(zhì)的變

2、化時(shí)，把熱力學(xué)的原理應(yīng)用到低溫現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)過程中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的規(guī)律，這個(gè)規(guī)律被表述為：“當(dāng)絕對溫度趨于零時(shí)，凝聚系(固體和液體)的熵(即熱量被溫度除的商)在等溫過程中的改變趨于零”德國著名物理學(xué)家普朗克把這一定律改述為：“當(dāng)絕對溫度趨于零時(shí)，固體和液體的熵也趨于零”這就消除了熵常數(shù)取值的任意性.1912年，能斯特又將這一規(guī)律表述為絕對零度不可能達(dá)到原理：“不可能使一個(gè)物體冷卻到絕對溫度的零度”這就是熱力學(xué)第三定律在統(tǒng)計(jì)物理學(xué)上，熱力學(xué)第三定律反映了微觀運(yùn)動(dòng)的量子化在實(shí)際意義上，第三定律并不像第一、二定律那樣明白地告誡人們放棄制造第一種永動(dòng)機(jī)和第二種永動(dòng)機(jī)的意圖，而是鼓勵(lì)人們想方設(shè)法盡可能接

3、近絕對零度第2頁/共23頁第3頁/共23頁 1宏觀態(tài)和微觀態(tài) 當(dāng)我們以系統(tǒng)的分子數(shù)分布而不區(qū)分具有的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的_；如果使用分子數(shù)分布并且區(qū)分具體的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的_ 2如右圖所示，其中右室部分為真空從無序的角度上看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無序運(yùn)動(dòng)的分子組成的，因?yàn)槿魏螣崃W(xué)過程都伴隨著分子的無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的一瞬間，分子仍聚集在左室，對于左右兩室這一整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就第4頁/共23頁變得無序了，因此，氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性_的方向進(jìn)行的，因此，一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的_

4、進(jìn)行 3處于不同狀態(tài)的物體，分子運(yùn)動(dòng)的無序程度_，在物理學(xué)中，用來量度系統(tǒng)_的物理量叫做熵 4引入熵后，關(guān)于自然過程的方向性就可以表述為_答案：1宏觀態(tài)微觀態(tài)2增大無序性增大的方向3不同無序程度4在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小第5頁/共23頁第6頁/共23頁有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)1有序和無序有序：確定了某種規(guī)則，系統(tǒng)符合這個(gè)規(guī)則的就是有序的無序：一個(gè)系統(tǒng)中，對個(gè)體的分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”，這樣的分布是無序的有序和無序是相對的按照某種規(guī)則，個(gè)體分布是有序的，但若按另一種規(guī)則要求，有些個(gè)體就可能是無序的無序意味著對每個(gè)個(gè)體各處都一樣、平均、沒有差別；而有序則相反第

5、7頁/共23頁 2宏觀態(tài)和微觀態(tài) 宏觀態(tài)：一個(gè)系統(tǒng)整體所處的狀態(tài)就叫做宏觀態(tài) 微觀態(tài)：宏觀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)體的不同分布狀態(tài)就叫微觀態(tài)，一個(gè)“宏觀態(tài)”往往對應(yīng)有多個(gè)“微觀態(tài)”，對應(yīng)的“微觀態(tài)”越多，就說這個(gè)“宏觀態(tài)”無序度越大第8頁/共23頁 以一副撲克牌為例，下列關(guān)于有序、無序和宏觀態(tài)、微觀態(tài)的認(rèn)識(shí)中不正確的是()A按黑桃、紅桃、草花、方塊的順序，而且從大到小將撲克牌排列起來，撲克牌這時(shí)是有序的B將撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，撲克牌是無序的，每部分內(nèi)部是有序的C一副撲克牌，這就是一個(gè)宏觀態(tài)，將牌洗動(dòng)一次就是一個(gè)微觀態(tài)D一副撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，這是一個(gè)宏觀態(tài)，它是一副撲克牌對應(yīng)的一個(gè)微

6、觀態(tài)E一副撲克牌按偶數(shù)和奇數(shù)分成兩部分，這是一個(gè)宏觀態(tài)，從偶數(shù)部分抽出一張插入到奇數(shù)部分，它是該宏觀態(tài)對應(yīng)的一個(gè)微觀態(tài)第9頁/共23頁解析：A中撲克牌的排列是有確定規(guī)則的，是有序的，A正確B中將撲克牌按奇、偶分成兩部分，是有確定規(guī)律的，是有序的，每部分內(nèi)部排列是沒有規(guī)則的，是無序的，B不正確一副撲克牌是一個(gè)系統(tǒng)，是一個(gè)宏觀態(tài)洗動(dòng)一次，系統(tǒng)內(nèi)部排列不同，是這副撲克牌宏觀態(tài)對應(yīng)的一個(gè)微觀態(tài)，C正確將一副撲克牌分成奇、偶兩部分，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，是一個(gè)宏觀態(tài)，同時(shí)它又是一副撲克的一種排列形式，是一副撲克牌這一宏觀態(tài)對應(yīng)的一個(gè)微觀態(tài)，D正確從偶數(shù)部分中抽出一張插入奇數(shù)部分中，不再對應(yīng)于按奇偶分成兩部分的撲

7、克牌這一宏觀態(tài)，也不再是該宏觀態(tài)對應(yīng)的一個(gè)微觀態(tài)，可以當(dāng)作是一副撲克牌這一宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)，E錯(cuò)誤答案：BE點(diǎn)評：宏觀態(tài)與微觀態(tài)不是絕對的，宏觀態(tài)的有序性越高，其對應(yīng)的微觀態(tài)越少反之，宏觀態(tài)的有序性越小，其對應(yīng)的微觀態(tài)就越多第10頁/共23頁變式遷移1自然過程的方向性是從有序狀態(tài)自發(fā)地轉(zhuǎn)向無序狀態(tài)如何根據(jù)這種理論說明熱傳遞和功變熱兩種過程的不可逆性？解析：在熱傳遞過程中，熱量總是從高溫物體自發(fā)地流向低溫物體，直到兩物體的溫度相同初始狀態(tài)，進(jìn)行熱傳遞的兩個(gè)物體所組成的系統(tǒng)溫度不同，這是比較不均勻的狀態(tài)，也即比較有序的狀態(tài)；終了狀態(tài)，系統(tǒng)的溫度相同，這是比較均勻的狀態(tài)，也即比較無序的狀態(tài)所以，熱

8、傳遞過程使系統(tǒng)從比較有序的狀態(tài)向著比較無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)化這個(gè)過程是自發(fā)進(jìn)行的，而自發(fā)進(jìn)行的過程，總是朝著熵增加的方向進(jìn)行，也即朝著無序化程度增加的方向進(jìn)行，所以說，熱傳遞的過程是一個(gè)不可逆的過程同樣，功變熱的過程也是不可逆的這種不可逆性是指第11頁/共23頁功(機(jī)械能)可以全部轉(zhuǎn)化為熱(內(nèi)能)，而熱(內(nèi)能)卻不能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為功具有機(jī)械能的物體可以說處在一種比較有序的狀態(tài)，隨著功變熱過程的進(jìn)行，能量的品質(zhì)逐漸下降，物體無序化程度在增加，這種從有序自發(fā)地轉(zhuǎn)向無序的過程，體現(xiàn)了自然過程的方向性，說明了功變熱過程的不可逆性 答案：見解析 點(diǎn)評：明確熱傳遞改變內(nèi)能的過程是自發(fā)地進(jìn)行的，而自發(fā)進(jìn)行的過程總

9、是朝著熵增加的方向進(jìn)行的，即朝著無序化程度增加的方向進(jìn)行的，即是一個(gè)不可逆的過程而做功改變物體的內(nèi)能，能量的品質(zhì)逐漸下降，物體的無序化程度在增加，而從有序轉(zhuǎn)化為無序的過程，體現(xiàn)了自然過程的方向，故功變熱的過程是不可逆的. 第12頁/共23頁熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1熱力學(xué)第二定律的微觀解釋一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行注：我們所說的有序狀態(tài)，指的是對應(yīng)著較少微觀態(tài)的那樣的宏觀態(tài)自發(fā)的過程總是傾向于出現(xiàn)與較多微觀態(tài)對應(yīng)的宏觀態(tài)，因此自發(fā)的過程總是從有序向無序發(fā)展的2熵(1)熵的概念物理學(xué)中用字母表示一個(gè)宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)的數(shù)目，用字母S表示熵，有：Skln 式中k叫做

10、玻耳茲曼常量第13頁/共23頁注：既然微觀態(tài)的數(shù)目是分子運(yùn)動(dòng)無序性的一種量度，由于越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度(2)熵增加原理 在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加注：由熵的定義可知，熵較大的宏觀狀態(tài)就是無序程度較大的宏觀狀態(tài)，也就是出現(xiàn)概率較大的宏觀狀態(tài)在自然過程中熵總是增加的，其并非因?yàn)橛行蚴遣豢赡艿模且驗(yàn)橥ㄏ驘o序的渠道要比通向有序的渠道多得多，正如把事情搞得亂糟糟的方式要比把事情做得整整齊齊的方式多得多從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而

11、熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序更大的方向發(fā)展第14頁/共23頁 關(guān)于氣體向真空中擴(kuò)散的規(guī)律的敘述中錯(cuò)誤的是()A氣體分子數(shù)越少，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大B氣體分子數(shù)越大，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 C擴(kuò)散到真空中的分子在整個(gè)容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大D氣體向真空中擴(kuò)散時(shí)，總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行第15頁/共23頁解析：氣體分子向真空中擴(kuò)散時(shí)，分子數(shù)越少，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越大；分子數(shù)越大，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越小，則A正確B錯(cuò)誤擴(kuò)散到真空中的分子在整

12、個(gè)容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)最多，并且這一宏觀態(tài)的無序性最強(qiáng)，C、D正確答案：B第16頁/共23頁變式遷移2下列說法，正確的是()A一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行B一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)有序性增大的方向進(jìn)行C在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小D在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵可能減小解析：一切自然過程均沿?zé)o序性增大的方向進(jìn)行，即沿熵增大的方向答案：AC第17頁/共23頁第18頁/共23頁基礎(chǔ)鞏固1下列有關(guān)熵的說法中不正確的是()A熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度B在自然過程中熵總是增加的C熱力學(xué)第二定律也叫做熵增加原理D熵值越大代表越有序解析：首先應(yīng)明確熵的物理意義：它是表征分子運(yùn)動(dòng)無序性的物理量，熵越大，說明越混亂，即越無序熱力學(xué)第二定律的微觀意義表明：一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行，即向熵增大的方向進(jìn)行，所以熱力學(xué)第二定律也叫做熵增加原理答案：D第19頁/共23頁能力提升 10某學(xué)習(xí)小組做了如下實(shí)驗(yàn)：先把空的燒瓶放入冰箱冷凍，取出燒瓶，并迅速把一個(gè)氣球緊套在燒瓶頸上，封閉了一部分氣體，然后將燒瓶放進(jìn)盛滿熱水的燒杯里，氣球逐漸膨脹起來，如圖在氣球膨脹過程中，下列說法正確的是() A該密閉氣體分子間的作用力增大 B該密閉氣體組成的系統(tǒng)熵增加 C該密閉氣體的壓強(qiáng)