熱力學(xué)第二定律的微觀解釋?zhuān)ㄕn堂PPT）

1、1導(dǎo)導(dǎo) 入入 新新 課課 熱傳導(dǎo)，以熱傳導(dǎo)，以溫溫度度作為標(biāo)準(zhǔn)，熱量作為標(biāo)準(zhǔn)，熱量總是從高溫物體傳總是從高溫物體傳向低溫物體，直到向低溫物體，直到溫度相等為止。溫度相等為止。2 氣體擴(kuò)散以氣體擴(kuò)散以密密度度作為標(biāo)準(zhǔn)，從密作為標(biāo)準(zhǔn)，從密度大地方向密度小度大地方向密度小的地方擴(kuò)散，直到的地方擴(kuò)散，直到密度相同時(shí)為止。密度相同時(shí)為止。3想一想想一想 既然各種不可逆過(guò)程是相互既然各種不可逆過(guò)程是相互關(guān)聯(lián)的，相互一致的。那么能不關(guān)聯(lián)的，相互一致的。那么能不能找出一個(gè)物理量來(lái)作為共同標(biāo)能找出一個(gè)物理量來(lái)作為共同標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)判斷任按統(tǒng)計(jì)規(guī)律任何不準(zhǔn)，來(lái)判斷任按統(tǒng)計(jì)規(guī)律任何不可逆過(guò)程的方向與限度呢？而宏可逆過(guò)程的

2、方向與限度呢？而宏觀表現(xiàn)總是源于微觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律，觀表現(xiàn)總是源于微觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律，所以可以從微觀來(lái)尋找答案。所以可以從微觀來(lái)尋找答案。4第五節(jié)第五節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 5教教 學(xué)學(xué) 目目 標(biāo)標(biāo)知識(shí)與能力知識(shí)與能力 1.了解有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)了解有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。的概念。 2.了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 3.了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。無(wú)序程度的物理量。 4.知道隨著條件的變化，熵是變化的。知道隨著條件的變化，熵是變化的。6過(guò)程與方法過(guò)程與方法 1. 學(xué)會(huì)通過(guò)現(xiàn)象總

3、結(jié)規(guī)律的科學(xué)方法。學(xué)會(huì)通過(guò)現(xiàn)象總結(jié)規(guī)律的科學(xué)方法。 2. 知道知道熵熵的概念，知道任何自然過(guò)程中的概念，知道任何自然過(guò)程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少。一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少。7情感與價(jià)值觀情感與價(jià)值觀 有參與實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律的熱情，從而能更方便有參與實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律的熱情，從而能更方便的解決實(shí)際問(wèn)題。的解決實(shí)際問(wèn)題。 再次體會(huì)學(xué)以致用，結(jié)合身邊的例子發(fā)現(xiàn)生再次體會(huì)學(xué)以致用，結(jié)合身邊的例子發(fā)現(xiàn)生活中的物理知識(shí)?；钪械奈锢碇R(shí)。8重點(diǎn)重點(diǎn) 難點(diǎn)難點(diǎn) 1.有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概有序和無(wú)序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。念。 2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義。熱力學(xué)第二定律的微觀意義。 3.熵的概念，知道熵是

4、反映系統(tǒng)無(wú)序熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。程度的物理量。9內(nèi)內(nèi) 容容 解解 析析有序和無(wú)序有序和無(wú)序10 有序有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個(gè)：只要確定了某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就叫做有序。規(guī)則的就叫做有序。 無(wú)序無(wú)序：不符合某種確定規(guī)則的稱(chēng)為無(wú)序。：不符合某種確定規(guī)則的稱(chēng)為無(wú)序。 無(wú)序意味著各處都一樣，平均、沒(méi)有差無(wú)序意味著各處都一樣，平均、沒(méi)有差別，有序則相反。別，有序則相反。 有序和無(wú)序是有序和無(wú)序是相對(duì)相對(duì)的。的。11 學(xué)員休息時(shí)雜亂無(wú)章，集合哨一響，隊(duì)學(xué)員休息時(shí)雜亂無(wú)章，集合哨一響，隊(duì)員迅速歸隊(duì)，隊(duì)伍整齊劃一。員迅速歸隊(duì)，隊(duì)伍整齊劃一。12宏觀態(tài)與微觀態(tài)宏觀態(tài)與微觀態(tài)

5、宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)。力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)。微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài)。則的狀態(tài)叫做這個(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài)。系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無(wú)序程度的大小。如果一個(gè)觀態(tài)無(wú)序程度的大小。如果一個(gè)“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”對(duì)對(duì)應(yīng)的應(yīng)的“微觀態(tài)微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)這個(gè)比較多，就說(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的，同時(shí)也決定了宏觀過(guò)程的方向是比較無(wú)序的，同時(shí)也決定了宏觀過(guò)程的方向性性從有序到無(wú)序從有序到無(wú)序 。

6、13熱力學(xué)第二定律的微觀意義熱力學(xué)第二定律的微觀意義 下面從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)探討過(guò)程的不可逆性下面從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)探討過(guò)程的不可逆性微觀意義，并由此深入認(rèn)識(shí)第二定律的本微觀意義，并由此深入認(rèn)識(shí)第二定律的本質(zhì)。質(zhì)。14 一個(gè)被隔板分為一個(gè)被隔板分為A、B相等兩部分的相等兩部分的容器，裝有容器，裝有4個(gè)涂以不同顏色分子。開(kāi)始個(gè)涂以不同顏色分子。開(kāi)始時(shí)，時(shí)，4個(gè)分子都在個(gè)分子都在A部，抽出隔板后分子部，抽出隔板后分子將向?qū)⑾駼部擴(kuò)散并在整個(gè)容器內(nèi)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。部擴(kuò)散并在整個(gè)容器內(nèi)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。隔板被抽出后，隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分分子在容器中可能的分布情形如下圖所示布情形如下圖所示：不可逆過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)不

7、可逆過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)（以氣體自（以氣體自由膨脹為例）由膨脹為例）15分布分布（宏觀態(tài)）（宏觀態(tài)）詳細(xì)分布詳細(xì)分布（微觀態(tài)）（微觀態(tài)） 1464116 微觀態(tài)共有微觀態(tài)共有24=16種可能的方式，而且種可能的方式，而且4個(gè)分個(gè)分子全部退回到子全部退回到A A部的可能性即幾率為部的可能性即幾率為1/24=1/16。 一般來(lái)說(shuō)，若有一般來(lái)說(shuō)，若有N個(gè)分子，則共個(gè)分子，則共2N種可能方式，種可能方式，而而N個(gè)分子全部退回到個(gè)分子全部退回到A A部的幾率部的幾率1/2N. .對(duì)于真實(shí)理想對(duì)于真實(shí)理想氣體系統(tǒng)氣體系統(tǒng)N 1023/ /mol，這些分子，這些分子全部退回到全部退回到A部的幾部的幾率為率為 。此

8、數(shù)值極小，意味著此事件永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。此數(shù)值極小，意味著此事件永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。從任何實(shí)際操作的意義上說(shuō)，不可能發(fā)生此類(lèi)事件。從任何實(shí)際操作的意義上說(shuō)，不可能發(fā)生此類(lèi)事件。23102117 對(duì)單個(gè)分子或少量分子來(lái)說(shuō)，它們擴(kuò)散到對(duì)單個(gè)分子或少量分子來(lái)說(shuō)，它們擴(kuò)散到B部的過(guò)程原則上是可逆的。部的過(guò)程原則上是可逆的。 對(duì)大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們向?qū)Υ罅糠肿咏M成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們向B部自由膨脹的宏觀過(guò)程實(shí)際上是不可逆的。這就部自由膨脹的宏觀過(guò)程實(shí)際上是不可逆的。這就是宏觀過(guò)程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計(jì)解釋。是宏觀過(guò)程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計(jì)解釋。18第二定律的統(tǒng)計(jì)表述第二定律的統(tǒng)計(jì)表述（依然看前例）

9、（依然看前例）分布分布（宏觀態(tài)）（宏觀態(tài)）詳細(xì)分布詳細(xì)分布（微觀態(tài)）（微觀態(tài)）19 上邊一列的各種分布僅指出上邊一列的各種分布僅指出A、B兩邊各有兩邊各有幾個(gè)分子，代表的是系統(tǒng)可能的幾個(gè)分子，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)宏觀態(tài)。中間各。中間各列是列是詳細(xì)的分布，具體指明了這個(gè)或那個(gè)分子各詳細(xì)的分布，具體指明了這個(gè)或那個(gè)分子各處于處于A或或B哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個(gè)哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個(gè)微微觀態(tài)。觀態(tài)。 4個(gè)分子在容器中的分布對(duì)應(yīng)個(gè)分子在容器中的分布對(duì)應(yīng)5種宏觀態(tài)。種宏觀態(tài)。對(duì)應(yīng)若干種一種宏觀態(tài)微觀態(tài)。不同的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)若干種一種宏觀態(tài)微觀態(tài)。不同的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)不同。對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)

10、數(shù)不同。均勻分布對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多均勻分布對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)最多。全部退回全部退回A邊僅對(duì)應(yīng)一種微觀態(tài)邊僅對(duì)應(yīng)一種微觀態(tài)20統(tǒng)計(jì)物理基本假定統(tǒng)計(jì)物理基本假定等幾率原理：對(duì)于孤立系，等幾率原理：對(duì)于孤立系，各種微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性（或幾率）是相等的。各種微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性（或幾率）是相等的。 各種宏觀態(tài)不是等幾率的。那種宏觀態(tài)包各種宏觀態(tài)不是等幾率的。那種宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)多，這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就含的微觀態(tài)數(shù)多，這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就大。大。21 定義定義熱力學(xué)幾率熱力學(xué)幾率：與同一宏觀態(tài)相應(yīng)的微觀與同一宏觀態(tài)相應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)稱(chēng)為熱力學(xué)幾率。記為態(tài)數(shù)稱(chēng)為熱力學(xué)幾率。記為 。 在上例中，均勻分布這

11、種宏觀態(tài)，相應(yīng)的微觀在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應(yīng)的微觀態(tài)最多，熱力學(xué)幾率最大，實(shí)際觀測(cè)到的可能性或態(tài)最多，熱力學(xué)幾率最大，實(shí)際觀測(cè)到的可能性或幾率最大。幾率最大。 對(duì)于對(duì)于1023個(gè)分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，均勻分個(gè)分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率與各種可能的宏觀態(tài)的布這種宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學(xué)幾率的總和相比，此比值幾乎或?qū)嶋H上為熱力學(xué)幾率的總和相比，此比值幾乎或?qū)嶋H上為100%。22 平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下 最大的狀最大的狀態(tài)。態(tài)。 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的

12、過(guò)程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀部所發(fā)生的過(guò)程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過(guò)渡，從熱力學(xué)態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過(guò)渡，從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過(guò)渡。幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過(guò)渡。 自然過(guò)程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大自然過(guò)程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進(jìn)行。的方向進(jìn)行。23注意注意：微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最最混亂、最無(wú)序混亂、最無(wú)序的狀態(tài)。的狀態(tài)。 一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的一切自然過(guò)程總是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。方向進(jìn)行。24熱力學(xué)第二定律的適用范圍熱力學(xué)第二定律的適用范圍1. .適用于宏觀過(guò)程適

13、用于宏觀過(guò)程對(duì)微觀過(guò)程不適用對(duì)微觀過(guò)程不適用，如布朗運(yùn)動(dòng)如布朗運(yùn)動(dòng)。252.孤立系統(tǒng)有限范圍。孤立系統(tǒng)有限范圍。對(duì)整個(gè)宇宙不適用對(duì)整個(gè)宇宙不適用26熵熵 熵熵指的是體系的混亂的程度，它在控制論、指的是體系的混亂的程度，它在控制論、概率論、數(shù)論、天體物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域都概率論、數(shù)論、天體物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，在不同的學(xué)科中也有引申出的更有重要應(yīng)用，在不同的學(xué)科中也有引申出的更為具體的定義，是各領(lǐng)域十分重要的參量。熵為具體的定義，是各領(lǐng)域十分重要的參量。熵由魯?shù)婪蛴婶數(shù)婪蚩藙谛匏梗藙谛匏梗≧udolf ClausiusRudolf Clausius）提出，）提出，并應(yīng)用在熱力學(xué)中。

14、后來(lái)在，并應(yīng)用在熱力學(xué)中。后來(lái)在，克勞德克勞德艾爾伍艾爾伍德德香農(nóng)香農(nóng)（Claude Elwood ShannonClaude Elwood Shannon）第一次將）第一次將熵的概念引入到熵的概念引入到信息論信息論中來(lái)。中來(lái)。 27 熱力學(xué)第二定律是根據(jù)大量觀察結(jié)果總結(jié)出來(lái)的熱力學(xué)第二定律是根據(jù)大量觀察結(jié)果總結(jié)出來(lái)的規(guī)律，有下述表述方式：在孤立系統(tǒng)中，實(shí)際發(fā)生的規(guī)律，有下述表述方式：在孤立系統(tǒng)中，實(shí)際發(fā)生的過(guò)程總使整個(gè)系統(tǒng)的熵值增大，此即熵增原理。摩擦過(guò)程總使整個(gè)系統(tǒng)的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分機(jī)械能不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔轨卦黾?。熱量使一部分機(jī)械能不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，使熵增加。熱量dQ

15、dQ由高溫由高溫(T1)(T1)物體傳至低溫物體傳至低溫(T2)(T2)物體，高溫物體的熵物體，高溫物體的熵減少減少dS1=dQ/T1dS1=dQ/T1，低溫物體的熵增加，低溫物體的熵增加dS2=dQ/T2dS2=dQ/T2，把，把兩個(gè)物體合起來(lái)當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，熵的變化是兩個(gè)物體合起來(lái)當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，熵的變化是dSdSdS2+dS1dS2+dS10 0，即熵是增加的。，即熵是增加的。28物理學(xué)家玻爾茲曼將熵定義為一種特物理學(xué)家玻爾茲曼將熵定義為一種特殊狀態(tài)的概率：原子聚集方式的數(shù)量。可殊狀態(tài)的概率：原子聚集方式的數(shù)量?？删_表示為：精確表示為：S=KlogWS=KlogW K K是比例常數(shù)

16、，現(xiàn)在稱(chēng)為是比例常數(shù)，現(xiàn)在稱(chēng)為玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)。29 熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系系統(tǒng)的狀態(tài)統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，熵是分決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序( (混亂混亂) )程度的定量量度。程度的定量量度。一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在自然過(guò)程中，系統(tǒng)的熵是增加的。自然過(guò)程中，系統(tǒng)的熵是增加的。在絕熱過(guò)程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵增在絕熱過(guò)程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵增加原理。對(duì)于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可加原理。對(duì)于其

17、它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。能減小。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：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)展從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程而熵值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。 30了解了解 絕對(duì)零度：絕對(duì)零度：絕對(duì)零度是根據(jù)絕對(duì)零度是根據(jù)理想氣體理想氣體所遵所遵循的規(guī)律，用外推的方法得到的。用這樣的方循的規(guī)律，用外推的方法得到的。用這樣的方法，當(dāng)溫度降低到法，當(dāng)溫度降低到-273.15時(shí)，氣體的

18、體積將時(shí)，氣體的體積將減小到零。如果從減小到零。如果從分子運(yùn)動(dòng)論分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，理的觀點(diǎn)出發(fā)，理想氣體分子的平均平動(dòng)想氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能動(dòng)能由溫度由溫度T確定，那么確定，那么也可以把絕對(duì)零度說(shuō)成是也可以把絕對(duì)零度說(shuō)成是“理想氣體分子停止理想氣體分子停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度”。以上兩種說(shuō)法都只是一種理。以上兩種說(shuō)法都只是一種理想的推理。想的推理。 31課課 堂堂 小小 結(jié)結(jié)1、有序和無(wú)序、有序和無(wú)序 宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài)和微觀態(tài) 一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。 系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無(wú)序程度的大小。如果一個(gè)現(xiàn)為宏觀態(tài)無(wú)序程度的大小。如果一個(gè)“宏宏觀態(tài)觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)這個(gè)比較多，就說(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的，同時(shí)也決定了宏是比較無(wú)序的，同時(shí)也決定了宏觀過(guò)程的方向性觀過(guò)程的方向性從有序到無(wú)序從有序到無(wú)序 。322、熵的概念、熵的概念3、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋、熱力學(xué)第二定律的