物理新人教版选修3-3第十章第五节《热力学第二定律的微观解释》PPT课件PPT推荐.ppt
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符合某种规定、规则的状态,叫做热力学系统的宏观态。
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。
态叫做这个宏观态的微观态。
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。
如果一个序程度的大小。
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“宏观态宏观态”是比较无序的,同时是比较无序的,同时也决定了宏观过程的方向性也决定了宏观过程的方向性从有序到无序。
从有序到无序。
不可逆过程的统计性质不可逆过程的统计性质(以气体自由膨胀为例)(以气体自由膨胀为例)下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义,并下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义,并由此深入认识第二定律的本质。
由此深入认识第二定律的本质。
热力学第二定律的热力学第二定律的微观意义微观意义:
一切自然过程总是沿着一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。
无序性增大的方向进行。
在热力学中,在热力学中,序:
区分度。
序:
对于一个热力学系统,如果处于非平衡态,我们对于一个热力学系统,如果处于非平衡态,我们认为它处于有序的状态,如果处于平衡态,我们认为认为它处于有序的状态,如果处于平衡态,我们认为它处于无序的状态。
它处于无序的状态。
一个被隔板分为一个被隔板分为AA、BB相等两部分的容器,装有相等两部分的容器,装有44个涂以不同颜色分子个涂以不同颜色分子。
3.3.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义分布分布(宏观态)(宏观态)详细分布详细分布(微观态)(微观态)14641开始时,开始时,44个分子都在个分子都在AA部,抽出隔板后分子将向部,抽出隔板后分子将向BB部扩散并在整个容器内无规则运动。
隔板被抽出后,部扩散并在整个容器内无规则运动。
隔板被抽出后,44分子在容器中可能的分布情形如下图所示:
分子在容器中可能的分布情形如下图所示:
微观态共有微观态共有2244=16=16种可能的方式,而且种可能的方式,而且44个分子全个分子全部退回到部退回到AA部的可能性即几率为部的可能性即几率为1/21/244=1/16=1/16。
一般来说,若有一般来说,若有NN个分子,则共个分子,则共22NN种可能方式,而种可能方式,而NN个分子全部退回到个分子全部退回到AA部的几率部的几率1/21/2NN.对于真实理想气对于真实理想气体系统体系统NN10102323/mol/mol,这些分子这些分子全部退回到全部退回到AA部的几率为部的几率为。
此数值极小,意味着此事件永远不会发生。
从任何。
从任何实际操作的意义上说,不可能发生此类事件。
实际操作的意义上说,不可能发生此类事件。
对单个分子或少量分子来说,它们扩散到对单个分子或少量分子来说,它们扩散到BB部的过部的过程原则上是可逆的。
程原则上是可逆的。
对大量分子组成的宏观系统来说,它们向对大量分子组成的宏观系统来说,它们向BB部自由部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。
这就是宏观过程膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。
这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。
的不可逆性在微观上的统计解释。
第二定律的统计表述第二定律的统计表述(依然看前例)(依然看前例)44个分子在容器中的分布对应个分子在容器中的分布对应55种种宏观态。
宏观态。
分布分布(宏观态)(宏观态)详细分布详细分布(微观态)(微观态)左边一列的各种分布仅指出左边一列的各种分布仅指出AA、BB两边各有几个分子,两边各有几个分子,代表的是系统可能的宏观态。
中间各列是详细的分布,代表的是系统可能的宏观态。
中间各列是详细的分布,具体指明了这个或那个分子各处于具体指明了这个或那个分子各处于AA或或BB哪一边,代表哪一边,代表的是系统的任意一个微观态。
的是系统的任意一个微观态。
一种宏观态对应若干种微观态。
在一定的宏观条件下,各种可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的?
不同的宏观态对应的微观态数不同。
均匀分布对应的微观态数最多。
全部退回全部退回AA边仅对应一种微观态。
边仅对应一种微观态。
统计物理基本假定统计物理基本假定等几率原理:
对于孤立系,各种等几率原理:
对于孤立系,各种微观态出现的可能性(或几率)是相等的。
微观态出现的可能性(或几率)是相等的。
各种宏观态不是等几率的。
那种宏观态包含的微各种宏观态不是等几率的。
那种宏观态包含的微观态数多,这种宏观态出现的可能性就大。
观态数多,这种宏观态出现的可能性就大。
定义定义热力学几率热力学几率:
与同一宏观态相应的微观态数称为与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。
记为热力学几率。
记为。
在上例中,均匀分布这种宏观态,相应的微观态最多,在上例中,均匀分布这种宏观态,相应的微观态最多,热力学几率最大,实际观测到的可能性或几率最大。
热力学几率最大,实际观测到的可能性或几率最大。
所以,实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。
即系统最后所达到的平衡态。
对于对于10102323个分子组成的宏观系统来说,均匀分布这种个分子组成的宏观系统来说,均匀分布这种宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的热力学几宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的热力学几率的总和相比,此比值几乎或实际上为率的总和相比,此比值几乎或实际上为100%100%。
对整个宇宙不适用。
如布朗运动。
平衡态相应于一定宏观平衡态相应于一定宏观条件下条件下最大的状态。
最大的状态。
热力学第二定律的统计表述:
孤立系统内部所发生的过程孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡,从热力学几率小观态过渡,从热力学几率小的状态向热力学几率大的状的状态向热力学几率大的状态过渡。
态过渡。
自然过程总是向着自然过程总是向着使系统热力学几率使系统热力学几率增大的方向进行。
增大的方向进行。
4.4.热力学第二定律的适用范围热力学第二定律的适用范围注意:
注意:
微观状态数最微观状态数最大的平衡态状态是最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。
混乱、最无序的状态。
一切自然过程总是一切自然过程总是沿着无序性增大的沿着无序性增大的方向进行。
方向进行。
11)适用于宏观过程)适用于宏观过程对微观过程不适用,对微观过程不适用,22)孤立系统有限范围)孤立系统有限范围。
4.4.熵与熵增加原理熵与熵增加原理“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18501850年创造的一个术语,他用熵来表示任何一种能量年创造的一个术语,他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。
能量分布得越均匀,熵就越在空间分布的均匀程度。
能量分布得越均匀,熵就越大。
如果对于我们所考虑的那个系统来说,能量完全大。
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。
均匀地分布,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、能量就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。
差别的消除程度。
在克劳修斯看来,在一个封闭的系统中,运动总是在克劳修斯看来,在一个封闭的系统中,运动总是从有序到无序发展的。
从有序到无序发展的。
比如,把一块冰糖放入水中,结果整杯水都甜了。
这比如,把一块冰糖放入水中,结果整杯水都甜了。
这就是说,糖分子的运动扩展到了整杯水中,它们的运就是说,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。
对于一个封闭的系统,能量差也动变得更加无序了。
对于一个封闭的系统,能量差也总是倾向于消除的。
比如,有水位差的两个水库,如总是倾向于消除的。
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,而使另一个水库的水面升高,直到两个水库面降低,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。
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,动总是从有序到无序,能量的差异总是倾向变成均等,也即也即“熵将随着时间而增大熵将随着时间而增大”。
熵和系统内能一样都是一个状态函数,仅由系统的熵和系统内能一样都是一个状态函数,仅由系统的状态决定。
从分子运动论的观点来看,熵是分子热运状态决定。
从分子运动论的观点来看,熵是分子热运动无序动无序(混乱混乱)程度的定量量度。
程度的定量量度。
S=Kln一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。
在一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。
在自然过程中,系统的熵是增加的。
自然过程中,系统的熵是增加的。
在绝热过程或孤立系统中,熵是增加的,叫做熵增在绝热过程或孤立系统中,熵是增加的,叫做熵增加原理。
对于其它情况,系统的熵可能增加,也可能加原理。
对于其它情况,系统的熵可能增加,也可能减小。
减小。
从从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律:
微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律:
一个孤立系统总是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,而熵值较大代表着较为无序,所以自发的宏观过程总而熵值较大代表着较为无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
是向无序程度更大的方向发展。
可爱的熵可爱的熵物理学中有个熵定律,也就是著名的热力学第二定律。
物理学中有个熵定律,也就是著名的热力学第二定律。
熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序,是无效能量熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序,是无效能量的总和。
熵本身既不是好事,也不是坏事;
它意味着腐的总和。
它意味着腐败和混乱,但它同时也意味着生命本身的展开败和混乱,但它同时也意味着生命本身的展开不论不论是有机的,还是无机的生命。
卡农、乔治是有机的,还是无机的生命。
卡农、乔治梅特勒的大梅特勒的大爆炸学说也认为,宇宙是以有序的状态开始,不断地向爆炸学说也认为,宇宙是以有序的状态开始,不断地向无序状态发展,它与热力学第二定律是相符的。
热力学无序状态发展,它与热力学第二定律是相符的。
热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的,只能从一种形式第一定律说明能量是守恒的、不灭的,只能从一种形式转变到另一种形式;
热力学第二定律(熵定律)却表明:
转变到另一种形式;
能量不可逆转地沿着一个方向转化,即从对人类来说是能量不可逆转地沿着一个方向转化,即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状
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