1、1热力学第二定律热力学第二定律的微观解释的微观解释人教版物理选修人教版物理选修3-33-3第十章第五节第十章第五节问题问题1:1:往清水中加入一滴墨水，墨汁会不断往清水中加入一滴墨水，墨汁会不断扩散，直到在整杯水中分布均匀为止。有没扩散，直到在整杯水中分布均匀为止。有没有这种可能，散布在水里的小碳粒会自发聚有这种可能，散布在水里的小碳粒会自发聚集成一滴墨水，剩余的部分则变回清水呢？集成一滴墨水，剩余的部分则变回清水呢？问题问题2:2:我们常说我们常说“覆水难收覆水难收”，说明水泼出，说明水泼出去容易，收回来难，这是为什么？去容易，收回来难，这是为什么？1.1.有序：有序：只要确定了某种规则，符
2、合这个规则的就叫做有序。只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。 2.2.无序：无序：不符合某种确定规则的称为无序。不符合某种确定规则的称为无序。 、4.4.有序和无序是相对的有序和无序是相对的3.3.无序意味着各处都无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。一样，平均、没有差别，有序则相反。、二二、宏观态宏观态1 1、宏观态：宏观态：当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的宏观态。来描写的系统状态叫热力学系统的宏观态。2 2、微观态微观态：如果使用分子数分布并且区分具体的分子如果使用分子数分布并且区分具体
3、的分子来描写的系统状态叫热力学系统的微观态来描写的系统状态叫热力学系统的微观态一个一个“宏观态宏观态”对应对应的的“微观态微观态”比比较较多多，就说这个就说这个“宏观态宏观态”是比较是比较 。无序无序二二、宏观态和微观态宏观态和微观态【实例探究【实例探究-气体向真空的扩散气体向真空的扩散】 一箱子被挡板分成左右两室，一箱子被挡板分成左右两室，4 4个气体分子都在左室，个气体分子都在左室，撤去挡板后气体将在整个容器内无规则运动。分析挡板撤撤去挡板后气体将在整个容器内无规则运动。分析挡板撤去后，去后，4 4个分子在容器中可能的分布情形。个分子在容器中可能的分布情形。A BC D分布（宏观态）详细分
4、布（微观态）隔板抽出后，隔板抽出后，4 4个气体分子在容器中可能的分布情形个气体分子在容器中可能的分布情形 14641微观态数微观态数n微观态共有微观态共有24=16种可能的方种可能的方式，而且式，而且4个分子全部退回到个分子全部退回到A部的可能性即几率为部的可能性即几率为1/24=1/16。n一般来说，若有一般来说，若有N个分个分子，则共有子，则共有2N 种可能方种可能方式，而式，而N个分子全部退回到个分子全部退回到A部的几率部的几率1/2N。对于真实。对于真实理想气体系统理想气体系统N 1023/mol，这些分子，这些分子全部退回到全部退回到A部的部的几率为几率为1/21023。宏观过程不
5、可逆在微观上的统计解释宏观过程不可逆在微观上的统计解释宏观态宏观态左左4 4右右0 0 左左3 3右右1 1左左2 2右右2 2左左1 1右右3 3左左0 0右右4 4微观态数目1 1 4 4 6 6 4 41 1各种宏观态的出现是等几率的吗？各种宏观态的出现是等几率的吗？出现概率出现概率1/16 4/16 6/16 4/16 1/16在一定的宏观条件下，各种在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪一种是实可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的？际所观测到的？三、三、 热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义1. 不可逆过程的本质：不可逆过程的本质： 一切自发过程总是沿着分子热运动的无序
6、性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。增大的方向进行。小小大大系统从热力学概率系统从热力学概率_的状态向热力学概率的状态向热力学概率_的状态进的状态进行的过程行的过程。2.2.热力学第二定律的适用范围热力学第二定律的适用范围1 1）适用于宏观过程对微观过程不适用。）适用于宏观过程对微观过程不适用。2 2）适用于孤立系统。）适用于孤立系统。1. 1877年，玻耳兹曼引入熵，年，玻耳兹曼引入熵，表示系统无序性表示系统无序性的大小：的大小：Sln2. 1900年，普朗克引入系数年，普朗克引入系数 k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数S=kln四、熵四、熵四、熵四、熵3.3.熵增加原理：在任
7、何自然过程中，一个孤熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵是不会减少的。立系统的总熵是不会减少的。 对熵增加原理的理解：（1 1）熵较大的宏观状态就是无序程度较大的状态，也就是出）熵较大的宏观状态就是无序程度较大的状态，也就是出现概率较大的宏观状态。现概率较大的宏观状态。（2 2）在自然过程中，熵总是增加的，其原因并非因为有序是）在自然过程中，熵总是增加的，其原因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多，不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多，即无序的可能性要比有序的可能性大得多。即无序的可能性要比有序的可能性大得多。（3 3）从微观的
8、角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个）从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统在自发过程中总是向熵增加的方向发展，而熵值较大代孤立系统在自发过程中总是向熵增加的方向发展，而熵值较大代表着较为无序表着较为无序例例1:1: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（ ）A A有序和无序不是绝对的有序和无序不是绝对的 B 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 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 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ABD 例例2:2:
9、下面关于熵的说法错误的是（下面关于熵的说法错误的是（ ）A A熵是物体内分子运动无序程度的量度熵是物体内分子运动无序程度的量度B B在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行向进行C C热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原理力学第二定律又叫熵增加原理D D机械能转化为内能的过程是系统的熵增加的过程机械能转化为内能的过程是系统的熵增加的过程B例例3:3:从微观角度看（从微观角度看（ ） A A热力学第二定律是一个统计规律热力学第二定律是一个统计规律B B一个孤立系统总是
10、从熵小的状态向熵大的状态发展一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展C C一个宏观状态所对应的微观状态越少，越是无序，一个宏观状态所对应的微观状态越少，越是无序，熵值越大熵值越大D D出现概率越大的宏观状态，熵值越小出现概率越大的宏观状态，熵值越小E E与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加的过程与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加的过程F F气体扩散现象向着无序性增加的方向进行气体扩散现象向着无序性增加的方向进行, ,是可逆是可逆过程过程ABE 4 4. .熵和社会熵和社会 熵是描述系统状态向无序变化的量度，也可引申为熵是描述系统状态向无序变化的量度，也可引申为“有效作有效作用减少量或无效
11、作用增加量用减少量或无效作用增加量”。事物从有序向无序变化则熵增加，。事物从有序向无序变化则熵增加，可称之为正熵；事物从无序向有序变化则熵减少，可称之为负熵。可称之为正熵；事物从无序向有序变化则熵减少，可称之为负熵。 随着熵概念的泛化，熵已被很多学科所采用，并出现了许多随着熵概念的泛化，熵已被很多学科所采用，并出现了许多术语，如信熵、基因熵、环境熵等。其中也包括自然熵与社会熵术语，如信熵、基因熵、环境熵等。其中也包括自然熵与社会熵的概念。所谓自然熵就是自然界这个系统的运行状态无效性的增的概念。所谓自然熵就是自然界这个系统的运行状态无效性的增加量。自然熵也可称之为自然正熵，相对的则是自然负熵。加
12、量。自然熵也可称之为自然正熵，相对的则是自然负熵。 社社会熵就是人类社会这个系统的运行状态无效性的增加量（我们讲会熵就是人类社会这个系统的运行状态无效性的增加量（我们讲的社会分别指广义上的整体人类社会，和狭义上的以一个国家为的社会分别指广义上的整体人类社会，和狭义上的以一个国家为单位的社会，因此暂称为广义社会熵和狭义社会熵）。单位的社会，因此暂称为广义社会熵和狭义社会熵）。 广义社会熵也可称之为广义社会正熵，相对的则是广义社会广义社会熵也可称之为广义社会正熵，相对的则是广义社会负熵。狭义社会熵也可称之为狭义社会正熵，相对的则是狭义社负熵。狭义社会熵也可称之为狭义社会正熵，相对的则是狭义社会负熵
13、。会负熵。 无论是自然环境系统还是人类社会系统，如果要维持发展就无论是自然环境系统还是人类社会系统，如果要维持发展就必须长期稳定的保持负熵必须长期稳定的保持负熵正熵正熵, ,否则就会逐步走向无序，最终导否则就会逐步走向无序，最终导致系统彻底崩溃。自然界是人类和野生动物赖以生存的家园，地致系统彻底崩溃。自然界是人类和野生动物赖以生存的家园，地球的历史告诉我们：在人类社会出现以前，自然正熵与自然负熵球的历史告诉我们：在人类社会出现以前，自然正熵与自然负熵是可以维持平衡的，而人类社会出现以后，自然正熵在增加，这是可以维持平衡的，而人类社会出现以后，自然正熵在增加，这是无可争议的事实，不得不引起人类社会的思考。是无可争议的事实，不得不引起人类社会的思考。
