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1、第 5節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋 第十章 熱力學定律 人教版選修 3-3 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
2、向性 從有序到無序。 不可逆過程的統(tǒng)計性質(zhì) （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，并由此深入認識第二定 律的本質(zhì)。 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。 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)。 一個被隔板分為 A、 B相等兩部分的容器，裝有 4個涂以不同顏色分子。 3.熱力學第二定律的統(tǒng)計意義 熱力學第二定律的微觀意義 分布 （宏觀態(tài)） 詳細分布 （微觀態(tài)） 1 4 6 4 1 開始時， 4個分子都在 A部，抽出隔板后分子將向 B部
3、擴散并在整個容器內(nèi) 無規(guī)則運動。隔板被抽出后， 4分子在容器中可能的分布情形如下圖所示： A B 微觀態(tài)共有 24=16種可能的方式，而且 4個分子全部退回到 A部的可能性 即幾率為 1/24=1/16。 一般來說，若有 N個分子，則共 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 的幾率為 。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。 231021 對單個分子或少量分子來說，它們擴散到 B部的過程原則上是可逆的。 對大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來說，它們向 B部自由膨
4、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。 第二定律的統(tǒng)計表述 （依然看前例） 4個分子在容器中的分布對應 5種宏觀態(tài)。 分布 （宏觀態(tài)） 詳細分布 （微觀態(tài)） 左邊一列的各種分布僅指出 A、 B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，具體指明了這個或那個分子各處于 A或 B 哪一邊，代表的是系統(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)。 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。 均勻分布對應的微觀態(tài)數(shù)最多。 全部退回 A邊僅對應一種微觀態(tài)。 統(tǒng)計物理基本假定 等幾率原
5、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 。 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。 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)。 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?qū)嶋H上為 100%。 對整個宇宙不適用。 如布朗運動。 平衡態(tài)相應于一定宏觀條件下
6、最大的狀態(tài)。 熱力學第二定律的統(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，從熱力學幾率小的狀態(tài) 向熱力學幾率大的狀態(tài)過渡。 自然過程總是向著使系統(tǒng) 熱力學幾率增大的方向進 行。 4.熱力學第二定律的適用范圍 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 序性增大的方向進行。 1）適用于宏觀過程對微觀過程不適用， 2）孤立系統(tǒng)有限范圍。 4.熵與熵增加原理 “ 熵 ” 是什么？ “ 熵 ” 是德國物理學家克勞修斯在 1850年創(chuàng)造的一個術(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
7、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，勢能取平為止。 克勞修斯總結(jié)說，自然界中的一個普遍規(guī)律是：運動
8、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 ” 。 熵和系統(tǒng)內(nèi)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，熵是分子熱運動無序 (混亂 )程度的定量量度。 S=Kln 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。 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，也可能減小。 從微觀的角度看，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)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā) 的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。 可愛的熵 物理學中有個熵
9、定律，也就是著名的熱力學第二定律。 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 不論是有機的，還是無機的生命。卡農(nóng)、喬治 梅特勒的大 爆炸學說也認為，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 與熱力學第二定律是相符的。熱力學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；熱力學第二定律（熵定律）卻表明： 能量不可逆轉(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?利用的狀態(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
10、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。 物理學家們認為，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)活動都受到熱力學第一、第二定律的嚴密制約；但是，他們 又認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！ 1電冰箱能夠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
11、物體 C熱量的傳導過程不具有方向性 D在自發(fā)地條件下熱量的傳導過程具有方向性 精與解 我們知道，一切自發(fā)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。 BD 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？
12、 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(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，也就是系統(tǒng)的無 序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。 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行 C熱力學第二定律的微觀實質(zhì)是熵是增加的，因此熱力學第二定律又叫熵 增加原理 D熵值越大，代表系統(tǒng)分子運動越無序 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運動無序 性增大的方向進行的。例如，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C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)燃氣推動活塞做功燃氣 分子
13、作有序運動，排出氣缸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)的自然過程會沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。 B 4.關(guān)于有序和無序下列說法正確的是（ ） A有序和無序不是絕對的 B一個 “ 宏觀態(tài) ” 可能對應著許多的 “ 微觀態(tài) ” C一個 “ 宏觀態(tài) ” 對應著唯一的 “ 微觀態(tài) ” D無序意味著各處一樣、平均、沒有差別 ABD 5.根據(jù)熱力學第二定律判斷，下列說法正確的是（ ） A內(nèi)能可以自發(fā)的轉(zhuǎn)
14、變成機械能 B擴散的過程完全可逆的 C火力發(fā)電時，燃燒物質(zhì)的內(nèi)能不可以全部轉(zhuǎn)化為電能 D熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體 CD 6.倒一杯熱水，然后加入適當?shù)奶呛螅菚咳苡谒?，但一段時間后又 觀察到杯底部有糖結(jié)晶，關(guān)于這個過程下列敘述正確的是（ ） A溶解過程是自發(fā)的，結(jié)晶過程也是自發(fā)的，因此熱力學第二定律是錯誤 的 B溶解過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程 C結(jié)晶過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程 D結(jié)晶過程不是自發(fā)的，因為有外界的影響 BD 7.下列說法正確的是 ( ) A如果大量分子的集合從 A分布進入 B分布的概率大于從 B分布進入 A分布， 則 B分布更無序 B如果大量分子的集合從 A
15、分布進入 B分布的概率大于從 B分布進入 A分布， 則 A分布更無序 C大量分子的集合能自發(fā)地從 A分布進入 B分布，則該過程是可逆的 D大量分子的集合能自發(fā)地從 A分布進入 B分布，則該過程是不可逆的 AD 8.一個密閉的容器內(nèi)有稀薄氣體，在容器上開一個小口，外部的空氣 就會流入容器，在氣體流入過程中，容器內(nèi)靠近開口處的空氣密度暫 時變得比內(nèi)部大，以下說法正確的是（ ） A此時容器內(nèi)氣體處于一個不平衡狀態(tài)，是一個最無序的狀態(tài) B外界的影響破壞了容器內(nèi)氣體的平衡 C上面事實說明熱力學第二定律只適用于封閉系統(tǒng) D對一個開放系統(tǒng)并不一定是最無序的分布 BCD 9.下列說法正確的是（ ） A熱力學第
16、二定律只在一定前提條件下才能成立 B熱力學第二定律揭示了一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增 大的方向進行 C能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性 D熱力學第二定律揭示了有大量分子參與宏觀過程的方向性 BCD 10.從微觀角度看（ ） A熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 B一個孤立系統(tǒng)總是從熵大的狀態(tài)向熵小的狀態(tài)發(fā)展 C一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)越多，越是無序，熵值越大 D出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大 ACD 11.下列說法正確的是（ ） A與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程是有方向性的 B與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程是熵增加的過程 C氣體擴散現(xiàn)象向著無序性增加的方向進行 ,是可逆過程 D機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是系統(tǒng)的熵增加的過程 ABD
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