高中物理之熱力學(xué)第二定律的微觀知識點

1、高中物理之熱力學(xué)第二定律的微觀知識點 熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆的。1.有序和無序有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫做有序。 無序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無序。無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。有 序和無序是相對的。2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)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)。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 這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無序程 度的大小。如果一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多， 就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程 的方向性從

2、有序到無序。3.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義對于一個熱力學(xué)系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們認(rèn)為它處于 有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認(rèn)為它處于無序的狀態(tài)。 在熱力學(xué)中，序：區(qū)分度。熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著無序性 增大的方向進(jìn)行。下面從統(tǒng)計觀點探討過程的不可逆性微觀意義，并由此深入 認(rèn)識第二定律的本質(zhì)。不可逆過程的統(tǒng)計性質(zhì) 以氣體自由膨脹為例 一個被隔板分為 A、B 相等兩部分的容器，裝有 4 個涂以不 同顏色的氣體分子。開始時，4 個分子都在 A 部，抽出隔板后分子將向 B 部擴(kuò)散 并在整個容器內(nèi)無規(guī)則運動。隔板抽出后，4 個氣體分子在容器中可能的分布情形一般來說，若有 N 個

3、分子，則共有 2N 種可能方式，而 N 個 分子全部退回到 A 部的幾率 1/2N. 對于真實理想氣體系統(tǒng) N1023/mol ，這些分子全部退回到 A 部的幾率。此數(shù)值極小， 意味著此事件永遠(yuǎn)不會發(fā)生。熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進(jìn) 行。不可逆過程的本質(zhì)系統(tǒng)從熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行的 過程。自發(fā)過程的規(guī)律：概率小的狀態(tài)（有序）概率大的狀態(tài)（混亂）統(tǒng)計物理基本假定等幾率原理：對于孤立系，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)的可能性就大。定義熱力學(xué)幾率：與同

4、一宏觀態(tài)相應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學(xué) 幾率。記為。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，實際觀測到的可能性或幾率最大。對于 1023 個分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，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)的熱力學(xué)幾率的總和 相比，此比值幾乎或?qū)嶋H上為 100%。熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計表述孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過程總是從微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過渡，從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué) 幾率大的狀態(tài)過渡。S=kln熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣，是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。 從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序 ( 混亂) 程度 的定量量度。熵增加原理：在任何自然

5、過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵是不 會減少的。平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下 最大的狀態(tài)。熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計表述：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過程總 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)過渡。 自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學(xué)幾率增大的方向進(jìn)行。 注意：微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無序的狀 態(tài)。一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行。 4.熱力學(xué)第二定律的適用范圍1） 適用于宏觀過程對微觀過程不適用，如布朗運動。2） 孤立系統(tǒng)有限范圍。對整個宇宙不適用。5. 熵與熵增加原理“熵”是什么？“熵”是德國物理學(xué)家克勞修斯在 1850 年 創(chuàng)造的

6、一個術(shù)語，他用熵來表示任何一種能量在空間分布的 均勻程度。能量分布得越均勻，熵就越大。如果對于我們所 考慮的那個系統(tǒng)來說，能量完全均勻地分布，那么這個系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值。簡單的說，“熵”就是微觀粒子的無序程度、能量差別的消 除程度。在克勞修斯看來，在一個封閉的系統(tǒng)中，運動總是從有序到 無序發(fā)展的。比如，把一塊冰糖放入水中，結(jié)果整杯水都甜了。這就是說， 糖分子的運動擴(kuò)展到了整杯水中，它們的運動變得更加無序 了。對于一個封閉的系統(tǒng)，能量差也總是傾向于消除的。比 如，有水位差的兩個水庫，如果把它們連接起來，那么，重 力就會使一個水庫的水面降低，而使另一個水庫的水面升高， 直到兩個水庫的水面均等，勢

7、能取平為止?？藙谛匏箍偨Y(jié)說，自然界中的一個普遍規(guī)律是：運動總是從 有序到無序，能量的差異總是傾向變成均等，也即“熵將隨 著時間而增大”?？蓯鄣撵匚锢韺W(xué)中有個熵定律，也就是著名的熱力學(xué)第二定律。熵的 增加表示宇宙物質(zhì)的日益混亂和無序，是無效能量的總和。 熵本身既不是好事，也不是壞事；它意味著腐敗和混亂，但 它同時也意味著生命本身的展開不論是有機(jī)的，還是無 機(jī)的生命?？ㄞr(nóng)、喬治·梅特勒的大爆炸學(xué)說也認(rèn)為，宇宙 是以有序的狀態(tài)開始，不斷地向無序狀態(tài)發(fā)展，它與熱力學(xué) 第二定律是相符的。熱力學(xué)第一定律說明能量是守恒的、不滅的，只能從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式；熱力學(xué)第二定律 （熵定律）卻表明：能

8、量不可逆轉(zhuǎn)地沿著一個方向轉(zhuǎn)化，即 從對人類來說是可利用的變?yōu)椴豢衫玫臓顟B(tài)。有效能量告罄時，是“熱寂”死寂的熱平衡狀態(tài)。有效 物質(zhì)耗盡時，是一片“物質(zhì)混亂”整個宇宙的大混亂和 大混沌。古羅馬詩人賀拉斯說：“時間磨滅了世界的價值！” 可謂一語道破了熵定律的真諦。物理學(xué)家們認(rèn)為，熵定律是 物質(zhì)世界的最終定律，人類參與的每一項物質(zhì)活動都受到熱 力學(xué)第一、第二定律的嚴(yán)密制約；但是，他們又認(rèn)為熵定律 只涉及物質(zhì)世界，只控制時空的橫向世界，人類的精神世界 并不受熵定律的專制統(tǒng)治！所以，生命的現(xiàn)象是宇宙洪流中 的一股逆流！人類精神的無限發(fā)展，是不可抗拒的熵增大長 河中的一條逆流之舟！習(xí)題演練1. 電冰箱能夠

9、不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫 度較高的外界空氣，這說明了（ ）A 熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B 在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C 熱量的傳導(dǎo)過程不具有方向性D 在自發(fā)地條件下熱量的傳導(dǎo)過程具有方向性2. 一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？3. 下面關(guān)于熵的說法錯誤的是 （ ）A 熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度B 在孤立系統(tǒng)中，一個自發(fā)的過程總是向熵減少的方向進(jìn) 行C 熱力學(xué)第二定律的微觀實質(zhì)是熵是增加的，因此熱力學(xué) 第二定律又叫熵增加原理D 熵值越大，代表系統(tǒng)分子運動越無序習(xí)題解析1. BD我們知道，一切自發(fā)過程都有方向性，如熱傳導(dǎo)，熱量

10、總是 由高溫物體傳向低溫物體；又如擴(kuò)散，氣體總是由密度大的 地方向密度小的地方擴(kuò)散。如果在外界幫助下氣體可以由密 度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散，熱量可以從低溫物體傳向 高溫物體，電冰箱就是借助外力做功把熱量從低溫物體冷 凍食品傳向高溫物體周圍的大氣。所以，在回答熱力學(xué)過 程的方向問題時，要區(qū)分是自發(fā)過程還是非自發(fā)過程，電冰 箱內(nèi)熱量傳遞的過程是有外界參與的。本題答案是 A 錯 B 對 C 錯 D 對2. 因為物體由于受到摩擦力而停止運動，其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的 內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運動的程度，使得無規(guī)則運動加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。 3. B熱力學(xué)第二定律提示：一切自然過程總是沿著分子熱運動無 序性增大的方向進(jìn)行的。例如，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C(jī)械能或電能 轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的過程是大量分子的有序運動向無序運動轉(zhuǎn)化， 氣缸內(nèi)燃?xì)?/p>