高二物理熱力學介紹

1、高二物理熱力學介紹10.5熱力學第二定律的微觀解釋教學目標教學目標v知識與技能知識與技能v1.了解有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。v2.了解熱力學第二定律的微觀意義。v3.了解熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量。v4.知道隨著條件的變化，熵是變化的。v過程與方法過程與方法v.學會通過現(xiàn)象總結規(guī)律的科學方法v2.知道熵的概念，知道任何自然過程中一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減少v情感態(tài)度和價值觀情感態(tài)度和價值觀v培養(yǎng)分析、歸納、綜合能力1.1.有序和無序有序和無序有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫做有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫做有序。有序。無序：不符合某種確定規(guī)則的稱

2、為無序。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。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。有序和無序是相對的。2.2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)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)，叫做熱力學系宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學系統(tǒng)的宏觀態(tài)。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)。態(tài)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無序程度的大小。如果一個序程度

3、的大小。如果一個“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”對應的對應的“微觀態(tài)微觀態(tài)”比較多，就說這個比較多，就說這個“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性決定了宏觀過程的方向性從有序到無序。從有序到無序。不可逆過程的統(tǒng)計性質（以氣體自由膨脹為例）不可逆過程的統(tǒng)計性質（以氣體自由膨脹為例） 下面從統(tǒng)計觀點探討過程的不可逆性微觀意義，并下面從統(tǒng)計觀點探討過程的不可逆性微觀意義，并由此深入認識第二定律的本質。由此深入認識第二定律的本質。 熱力學第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著熱力學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行。無序性增大的方向進行。在熱力學中，

4、序：區(qū)分度。在熱力學中，序：區(qū)分度。 對于一個熱力學系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們對于一個熱力學系統(tǒng)，如果處于非平衡態(tài)，我們認為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認為認為它處于有序的狀態(tài)，如果處于平衡態(tài)，我們認為它處于無序的狀態(tài)。它處于無序的狀態(tài)。 一個被隔板分為一個被隔板分為A A、B B相等兩部分的容器，裝有相等兩部分的容器，裝有4 4個涂以不同顏色分子個涂以不同顏色分子。3.3.熱力學第二定律的統(tǒng)計意義熱力學第二定律的統(tǒng)計意義熱力學第二定律的微觀意熱力學第二定律的微觀意義義分布分布（宏觀態(tài)）（宏觀態(tài)）詳細分布詳細分布（微觀態(tài)）（微觀態(tài)） 14641開始時，開始時，4 4個分子都在個分子

5、都在A A部，抽出隔板后分子將向部，抽出隔板后分子將向B B部擴散并在整個容器內無規(guī)則運動。隔板被抽出后，部擴散并在整個容器內無規(guī)則運動。隔板被抽出后，4 4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：分子在容器中可能的分布情形如下圖所示：AB 微觀態(tài)共有微觀態(tài)共有2 24 4=16=16種可能的方式，而且種可能的方式，而且4 4個分子全個分子全部退回到部退回到A A部的可能性即幾率為部的可能性即幾率為1/21/24 4=1/16=1/16。 一般來說，若有一般來說，若有N N個分子，則共個分子，則共2 2N N種可能方式，而種可能方式，而N N個分子全部退回到個分子全部退回到A A部的幾率部的幾率

6、1/21/2N N. .對于真實理想氣對于真實理想氣體系統(tǒng)體系統(tǒng)N N 10102323/mol/mol，這些分子，這些分子全部退回到全部退回到A A部的幾率部的幾率為為 。此數(shù)值極小，意味著此事件永遠不會發(fā)生。此數(shù)值極小，意味著此事件永遠不會發(fā)生。從任何實際操作的意義上說，不可能發(fā)生此類事件。從任何實際操作的意義上說，不可能發(fā)生此類事件。231021 對單個分子或少量分子來說，它們擴散到對單個分子或少量分子來說，它們擴散到B B部的過部的過程原則上是可逆的。程原則上是可逆的。 對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向B B部自由膨部自由膨脹的宏觀過程實際上是不

7、可逆的。這就是宏觀過程的脹的宏觀過程實際上是不可逆的。這就是宏觀過程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計解釋。不可逆性在微觀上的統(tǒng)計解釋。第二定律的統(tǒng)計表述（依然看前例）第二定律的統(tǒng)計表述（依然看前例） 4 4個分子在容器中的分布對應個分子在容器中的分布對應5 5種種宏觀態(tài)。宏觀態(tài)。分布分布（宏觀態(tài)）（宏觀態(tài)）詳細分布詳細分布（微觀態(tài)）（微觀態(tài)） 左邊一列的各種分布僅指出左邊一列的各種分布僅指出A A、B B兩邊各有幾個分子，兩邊各有幾個分子，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細的分布，代表的是系統(tǒng)可能的宏觀態(tài)。中間各列是詳細的分布，具體指明了這個或那個分子各處于具體指明了這個或那個分子各處于A A或

8、或B B哪一邊，代表哪一邊，代表的是系統(tǒng)的任意一個微觀態(tài)。的是系統(tǒng)的任意一個微觀態(tài)。一種宏觀態(tài)對應若干種微觀態(tài)。一種宏觀態(tài)對應若干種微觀態(tài)。在一定的宏觀條件下，各種可能的宏觀態(tài)中哪一種是實際所觀測到的？不同的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)不同。不同的宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)不同。均勻分布對應的微觀態(tài)數(shù)最多。均勻分布對應的微觀態(tài)數(shù)最多。全部退回全部退回A A邊僅對應一種微觀態(tài)。邊僅對應一種微觀態(tài)。統(tǒng)計物理基本假定統(tǒng)計物理基本假定等幾率原理：對于孤立系，各種等幾率原理：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。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)包含的微各種宏觀態(tài)

9、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。觀態(tài)數(shù)多，這種宏觀態(tài)出現(xiàn)的可能性就大。定義熱力學幾率：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數(shù)稱為定義熱力學幾率：與同一宏觀態(tài)相應的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學幾率。記為熱力學幾率。記為 。 在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應的微觀態(tài)最多，在上例中，均勻分布這種宏觀態(tài)，相應的微觀態(tài)最多，熱力學幾率最大，實際觀測到的可能性或幾率最大。熱力學幾率最大，實際觀測到的可能性或幾率最大。 所以，實際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。所以，實際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所達到的平衡態(tài)。即系統(tǒng)最后所達到的平衡態(tài)。 對于對于10102323個分子組成

10、的宏觀系統(tǒng)來說，均勻分布這種個分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，均勻分布這種宏觀態(tài)的熱力學幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學幾宏觀態(tài)的熱力學幾率與各種可能的宏觀態(tài)的熱力學幾率的總和相比，此比值幾乎或實際上為率的總和相比，此比值幾乎或實際上為100%100%。對整個宇宙不適用。對整個宇宙不適用。如布朗運動。如布朗運動。平衡態(tài)相應于一定宏觀平衡態(tài)相應于一定宏觀條件下條件下 最大的狀態(tài)。最大的狀態(tài)。熱力學第二定律的統(tǒng)計表述：熱力學第二定律的統(tǒng)計表述：孤立系統(tǒng)內部所發(fā)生的過程孤立系統(tǒng)內部所發(fā)生的過程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過渡，從熱力學幾率

11、小觀態(tài)過渡，從熱力學幾率小的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀的狀態(tài)向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。態(tài)過渡。自然過程總是向著自然過程總是向著使系統(tǒng)熱力學幾率使系統(tǒng)熱力學幾率增大的方向進行。增大的方向進行。4.4.熱力學第二定律的適用范圍熱力學第二定律的適用范圍注意：微觀狀態(tài)數(shù)最注意：微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無序的狀態(tài)?；靵y、最無序的狀態(tài)。一切自然過程總是一切自然過程總是沿著無序性增大的沿著無序性增大的方向進行。方向進行。1 1）適用于宏觀過程）適用于宏觀過程對微觀過程不適用，對微觀過程不適用，2 2）孤立系統(tǒng)有限范圍）孤立系統(tǒng)有限范圍。4.4.熵與熵增加原理熵與熵增加原理 “熵熵

12、”是什么？是什么？“熵熵”是德國物理學家克勞修斯在是德國物理學家克勞修斯在18501850年創(chuàng)造的一個術語，他用熵來表示任何一種能量年創(chuàng)造的一個術語，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)的熵就達到最大值。均勻地分布，那么這個系統(tǒng)的熵就達到最大值。簡單的說，簡單的說，“熵熵”就是微觀粒子的無序程度、能量就是微觀粒子的無序程度、能量差別的消除程度。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

13、是在克勞修斯看來，在一個封閉的系統(tǒng)中，運動總是從有序到無序發(fā)展的。從有序到無序發(fā)展的。 比如，把一塊冰糖放入水中，結果整杯水都甜了。比如，把一塊冰糖放入水中，結果整杯水都甜了。這就是說，糖分子的運動擴展到了整杯水中，它們的這就是說，糖分子的運動擴展到了整杯水中，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，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，直到兩個水水面降低，

14、而使另一個水庫的水面升高，直到兩個水庫的水面均等，勢能取平為止。庫的水面均等，勢能取平為止。 克勞修斯總結說，自然界中的一個普遍規(guī)律是：克勞修斯總結說，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，也即等，也即“熵將隨著時間而增大熵將隨著時間而增大”。 熵和系統(tǒng)內能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系熵和系統(tǒng)內能一樣都是一個狀態(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熱運動無序( (混亂混亂) )程度的定量量度。程度的定量量度。S=Kln 一個系統(tǒng)的熵是

15、隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在一個系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在自然過程中，系統(tǒng)的熵是增加的。自然過程中，系統(tǒng)的熵是增加的。 在絕熱過程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵在絕熱過程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵增加原理。對于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可增加原理。對于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。能減小。 從從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)律：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程

16、總是向無序程度更大的方向發(fā)展。程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。1 1電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內部電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內部傳給溫度較高的外界空氣，這說明了傳給溫度較高的外界空氣，這說明了A A熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B B在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體體CC熱量的傳導過程不具有方向性熱量的傳導過程不具有方向性D D在自發(fā)地條件下熱量的傳導過程具有方向性在自發(fā)地條件下熱量的傳導過程具有方向性 精與解精與解 我們知道，一切自發(fā)過程都有方向性，如熱傳導，我們知道，一切自發(fā)

17、過程都有方向性，如熱傳導，熱量總是由高溫物體傳向低溫物體；又如擴散，氣體總是由熱量總是由高溫物體傳向低溫物體；又如擴散，氣體總是由密度大的地方向密度小的地方擴散。如果在外界幫助下氣體密度大的地方向密度小的地方擴散。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散，熱量可以從低溫可以由密度大的地方向密度小的地方擴散，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物體冷凍食品傳向高溫物體冷凍食品傳向高溫物體周圍的大氣。所以，在回答周圍的大氣。所以，在回答熱力學過程的方向問題時，要區(qū)分是自發(fā)過程還是非自發(fā)過熱力學過程

18、的方向問題時，要區(qū)分是自發(fā)過程還是非自發(fā)過程，電冰箱內熱量傳遞的過程是有外界參與的。本題答案是程，電冰箱內熱量傳遞的過程是有外界參與的。本題答案是A A錯錯B B對對CC錯錯D D對。對。BD2.2.一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止。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？系統(tǒng)的熵如何變化？解析：因為物體由于受到摩擦力而停止運動，解析：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)的內能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內能，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，也就是則運動的程度，使得無規(guī)則運動加強，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。系統(tǒng)的無

19、序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。3.3.下面關于熵的說法錯誤的是下面關于熵的說法錯誤的是A A熵是物體內分子運動無序程度的量度熵是物體內分子運動無序程度的量度B B在孤立系統(tǒng)中，一個自發(fā)的過程總是向熵減少的方在孤立系統(tǒng)中，一個自發(fā)的過程總是向熵減少的方向進行向進行CC熱力學第二定律的微觀實質是熵是增加的，因此熱力學第二定律的微觀實質是熵是增加的，因此熱力學第二定律又叫熵增加原理熱力學第二定律又叫熵增加原理D D熵值越大，代表系統(tǒng)分子運動越無序熵值越大，代表系統(tǒng)分子運動越無序 精與解精與解 熱力學第二定律提示：一切自然過程總是沿著分子熱力學第二定律提示：一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的

20、方向進行的。例如，功轉變?yōu)闊崾菣C械能熱運動無序性增大的方向進行的。例如，功轉變?yōu)闊崾菣C械能或電能轉變?yōu)閮饶艿倪^程是大量分子的有序運動向無序運動轉或電能轉變?yōu)閮饶艿倪^程是大量分子的有序運動向無序運動轉化，氣缸內燃氣推動活塞做功燃氣分子作有序運動，排出氣缸化，氣缸內燃氣推動活塞做功燃氣分子作有序運動，排出氣缸后作越來越無序的運動。后作越來越無序的運動。 物理學中用熵來描述系統(tǒng)大量分子運動的無序性程度。熱力物理學中用熵來描述系統(tǒng)大量分子運動的無序性程度。熱力學第二定律用熵可表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)學第二定律用熵可表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，也就是說，一個孤立系

21、統(tǒng)的熵總是從熵小的的總熵不會減小，也就是說，一個孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。反映了一個孤立系統(tǒng)的自然過程會沿狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。反映了一個孤立系統(tǒng)的自然過程會沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。著分子熱運動的無序性增大的方向進行。 B4.4.關于有序和無序下列說法正確的是（關于有序和無序下列說法正確的是（ ）A A有序和無序不是絕對的有序和無序不是絕對的 B B一個一個“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”可能對應著許多的可能對應著許多的“微觀態(tài)微觀態(tài)”CC一個一個“宏觀態(tài)宏觀態(tài)”對應著唯一的對應著唯一的“微觀態(tài)微觀態(tài)”D D無序意味著各處一樣、平均、沒有差別無序意味著各處一樣、平均、沒有差別

22、ABD5.5.根據(jù)熱力學第二定律判斷，下列說法正確的是根據(jù)熱力學第二定律判斷，下列說法正確的是（ ）A A內能可以自發(fā)的轉變成機械能內能可以自發(fā)的轉變成機械能B B擴散的過程完全可逆的擴散的過程完全可逆的CC火力發(fā)電時，燃燒物質的內能不可以全部轉化為火力發(fā)電時，燃燒物質的內能不可以全部轉化為電能電能D D熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體CD6.6.倒一杯熱水，然后加入適當?shù)奶呛?，糖會全部溶于倒一杯熱水，然后加入適當?shù)奶呛?，糖會全部溶于水中，但一段時間后又觀察到杯底部有糖結晶，關于水中，但一段時間后又觀察到杯底部有糖結晶，關于這個過程下列敘述正確的

23、是（這個過程下列敘述正確的是（ ） A A溶解過程是自發(fā)的，結晶過程也是自發(fā)的，因此溶解過程是自發(fā)的，結晶過程也是自發(fā)的，因此熱力學第二定律是錯誤的熱力學第二定律是錯誤的B B溶解過程是有序向無序轉變的過程溶解過程是有序向無序轉變的過程CC結晶過程是有序向無序轉變的過程結晶過程是有序向無序轉變的過程D D結晶過程不是自發(fā)的，因為有外界的影響結晶過程不是自發(fā)的，因為有外界的影響B(tài)D7.7.下列說法正確的是下列說法正確的是 ( ) ( ) A A如果大量分子的集合從如果大量分子的集合從A A分布進入分布進入B B分布的概率大于從分布的概率大于從B B分分布進入布進入A A分布，則分布，則B B分布更無序分布更無序