105热力学第二定律的微观解释课件.pptx

1、复习复习热力学第二定律的两种表述：热力学第二定律的两种表述：总结：总结：任何一类宏观自然过程进行方向的说明都可以作为热力学第二任何一类宏观自然过程进行方向的说明都可以作为热力学第二定律的表述定律的表述.二、热力学第二定律的开尔文表述：二、热力学第二定律的开尔文表述：1.不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响.2.第二类永动机不可能制成第二类永动机不可能制成一、热力学第二定律的克劳修斯表述：一、热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能热量不能自发自发地从低温物体传到高温物体地从低温物体传到高温物体.思考：思考：为什么涉及热运动的

2、宏观过程会有一定的方向性？如何从微为什么涉及热运动的宏观过程会有一定的方向性？如何从微观的角度进行解释说明？观的角度进行解释说明？投掷硬币投掷硬币观看视频，你能得到哪些概念？观看视频，你能得到哪些概念？1.有序和无序有序和无序有序：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：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，有序则相无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反反.有序和无序是相对的有序和无序是相对的.一、有序和无序一、有序和无序 宏观态和微观态宏观态和微观态2.宏观

3、态和微观态宏观态和微观态宏观态：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。大小。如果一个如果一个“宏观态宏观态”对应的对应的“微观态微观态”比较多，就说这个比较多，就说这个“宏宏观态观态”是比较无序的是比较无序的.1关于有序和无序下列说法正确的是关于有序和无序下列说法正确的是()

4、A有序和无序不是绝对的有序和无序不是绝对的B一个一个“宏观态宏观态”可能对应着许多的可能对应着许多的“微观态微观态”C一个一个“宏观态宏观态”对应着唯一的对应着唯一的“微观态微观态”D无序意味着各处一样、平均、没有差别无序意味着各处一样、平均、没有差别有序和无序是相对的有序和无序是相对的无序意味着各处都一样，平无序意味着各处都一样，平均没有差别，有序则相反均没有差别，有序则相反系统的宏观状态对应系统的宏观状态对应的的微观态的多少微观态的多少表现表现为宏观态为宏观态无序程度无序程度的的大小大小，一个，一个“宏观态宏观态”可能对应着可能对应着许多的许多的“微观态微观态”.ABD观看视频，你能得到什

5、么规律？观看视频，你能得到什么规律？投掷硬币投掷硬币2思考：思考：如果气体向真空扩散，宏观态和微观态分别指什么？怎样是有如果气体向真空扩散，宏观态和微观态分别指什么？怎样是有序？怎样是无序？序？怎样是无序？气体气体真空真空容器左右等体积，左部有气体，右部为真空容器左右等体积，左部有气体，右部为真空.抽去隔板气体自由膨胀抽去隔板气体自由膨胀.系统宏观态系统宏观态-用分子左、右两部分的分配数目表示用分子左、右两部分的分配数目表示系统微观态系统微观态-用分子处在某一部分的具体情况表示用分子处在某一部分的具体情况表示.二、气体向真空的扩散二、气体向真空的扩散思考：思考：假定容器中有假定容器中有4个分子

6、，抽出隔板后，个分子，抽出隔板后，4个分子在容器中具有个分子在容器中具有哪些可能的宏观态和微观态？气体扩散后哪些可能的宏观态和微观态？气体扩散后4个分子分布的最大一种个分子分布的最大一种可能和最小一种可能是什么？可能和最小一种可能是什么？分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）抽出隔板后，抽出隔板后，4个分子在容器中可能的分布如图所示个分子在容器中可能的分布如图所示1 16 64 41 14 401234564个粒子分布个粒子分布 左左4 右右0 左左3 右右1 左左2 右右2 左左1 右右3 左左0 右右4假设所有的微观状态其出现的可能性是相同的假设所有的微观状态其出

7、现的可能性是相同的.4粒子情况，总状态数粒子情况，总状态数16，左左4右右0 和和 左左0右右4，几率各为，几率各为1/16；左左3右右1和和 左左1右右3，几率各为，几率各为1/4；左左2右右2，几率为几率为3/8.容器中有容器中有6个分子，个分子，在容器中的位置可能分布在容器中的位置可能分布N=1023，微观状态数目用微观状态数目用 表示，表示，则则N/2Nn（左侧粒子数）（左侧粒子数）n思考：思考：通过以上的分析，能得到什么结论？通过以上的分析，能得到什么结论？一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行向进行.热力学第二定律的微观解

8、释热力学第二定律的微观解释熵的引入熵的引入 “熵熵”是什么？是什么？“熵熵”是德国物理学家克劳修斯在是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度.能量分布得能量分布得越均匀，熵就越大越均匀，熵就越大.如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值地分布，那么这个系统的熵就达到最大值.简单的说，简单的说，“熵熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度.在克劳修

9、斯看来在克劳修斯看来,在一个封闭的系统中在一个封闭的系统中,运动总是从有序到无序发展的运动总是从有序到无序发展的.三、熵三、熵 比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了.这就是说，糖分子这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了.对于一个封闭的对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的系统，能量差也总是倾向于消除的.比如，有水位差的两个水库，如果把比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的

10、水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止.克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大熵将随着时间而增大”.玻耳兹曼用玻耳兹曼用熵熵 S来表示系统无序性的大小来表示系统无序性的大小.定义熵与热力定义熵与热力学概率之间的关系为：学概率之间的关系为：S=kln 其中其中k为玻耳兹曼常量，上式为玻耳兹曼常量，上式称为玻耳兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式称为玻耳

11、兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式.熵的微观意义：熵的微观意义：系统内分子运动无序性的量度系统内分子运动无序性的量度.从微观的角度看从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律：一个热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,而熵值较大代而熵值较大代表着较为无序表着较为无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展向发展.用熵用熵 S 代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵增加的方向进行，它是在孤立系

12、统中进行的自发过程总是沿着熵增加的方向进行，它是不可逆的，平衡态相应于熵最大值的状态不可逆的，平衡态相应于熵最大值的状态.热力学第二定律的这一表热力学第二定律的这一表述称为述称为熵增加原理熵增加原理.日常现象与熵增加原理日常现象与熵增加原理 2.下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是 ()A从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律B一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行C有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有有的自然过程沿着

13、分子热运动无序性增大的方向进行，有 的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行D在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小一切自然过程总是向着无序性增大一切自然过程总是向着无序性增大(熵增大熵增大)的方向进行的方向进行AD一一.熵及熵增原理熵及熵增原理1玻尔兹曼熵公式：2熵增原理：孤立系统内，熵的数值永不减小，即：3热力学第二定律的适用范围 大量分子 有限的宏观物质系统二二 熵概念的重要意义熵概念的重要意义1联系热力学与统计力学如平衡态，最大，即平衡态为最可几趋势但不是唯一可能趋势2应用范围非常广阔 爱

14、因斯坦称之为“第一法则”；它渗透到许多学科，与生命、环境、社会等密切相关3.不可逆过程总是向熵增加的方向进行的.因此用增加可判断进程进行的方向和限度.三三熵增加原理与热力学第二定律熵增加原理与热力学第二定律 熵增加原理是把热现象的不可逆过程进行的方向和限度进行数量上的描述,因此它是热力学第二定律的数学表示.熵熵 熵增加原理熵增加原理 1.关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是()A.大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B.热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状热传递的自然过程

15、是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程态转化的过程C.热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程序程度大的运动状态转化的过程D.一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行分子热运动无序程度小分子热运动无序程度小熵增加原理熵增加原理无序程度大无序程度大CD2.对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是正确的是()A.系统的总熵只能增大，不可能减小系统的总熵只能增大，不可能减小B.系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小C.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展展D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展发展在孤立体系中发生的实际过在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵是增加的程，其系统的总熵是增加的系统只能是从系统只能是从比较有序比较有序的的状态向状态向更无序更无序的状态发展的状态发展熵增加原理熵增加原理AC