10.5_热力学第二定律的微观解释.docVIP

10.5 热力学第二定律的微观解释 【教学目标】 （一）知识与技能 了解热力学第二定律的微观意义。 （二）过程与方法 通过对微观状态和宏观状态的分析，理解熵的意义。 （三）情感、态度与价值观 通过对热力学第二定律微观意义的探究，激发学习物理的动力。 【教学重点】 热力学第二定律的微观意义。 【教学难点】 对熵和熵增加原理的理解。 【教学方法】 讲练法、分析归纳法、阅读法 【教学用具】 投影仪、投影片 【教学过程】 （一）引入新课 教师：（复习提问）用投影片出示下列问题 1．什么是热传导的方向性？ 2．机械能和内能之间相互转化的方向性指的是什么？ 3．什么是第二类永动机？为什么第二类永动机不可能制成？ 4．热力学第二定律的两种表述方式是什么？ 学生思考回答后，教师指出：系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统计规律。本节课就要从微观的角度说明为什么涉及热运动的宏观过程会有一定的方向性。 （二）进行新课 1．有序和无序 宏观态与微观态 教师：先引导学生阅读教材有关内容，以“扑克牌”为例，体会“有序”和“无序”的含义，从而进一步体会“宏观态”和“微观态”的含义。 教师：（讲解） 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；如果使用分子数分布并且区分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的微观态。 在热力学系统中，由于存在大量粒子的无规则热运动，任一时刻各个粒子处于何种运动状态完全是偶然的，而且又都随时间无规则地变化。系统中各个粒子运动状态的每一种分布，都代表系统的一个微观态，系统的微观态的数目是大量的，在任意时刻系统随机地处于其中任意一个微观态。 下面我们以上图所示的情况为例来进一步加以说明。假设容器中体积相等的A、B两室内具有a、b、c、d一共4个全同的分子，它们在A、B两室内的分布情况共有16种方式。具体分布如下： （0，4）（0，abcd） （ l，3）［（a，bcd），（b，acd），（c，abd），（d，abc）］ （2，2）［（ab，cd），（ac，bd），（ad，bc），（bc，ad），（bd，ac），（cd，ab）］ （3，l）［（bcd，a），（acd，b），（abd，c），（abc，d）］ （4，0）（abcd，0） 上面的分布表达中，如（2，2）表示一个宏观态（即A、B两室内各有2个分子但不区分具体分子）而（ab，cd）表示一个微观态（a和b分子在A室内，c和d分子在B室内）由上表可清楚地看出，不同的宏观态包含着不同数量的微观态，其中以A、B两室各有2个分子的宏观态包含的微观态数目最多（6个）而以4个分子全部分布在A室或全部分布在B室的宏观态所包含的微观态数目最少（都是1个）。 如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的。 2．气体向真空的扩散 教师：引导学生阅读教材有关内容。 教师讲解：一个箱子被挡板分为左、右两室，假设左室气体只有a，b，c，d4个分子，右室为真空，撤去挡板后，气体由左向右扩散，由于各个微观态出现的概率是一样的，从宏观上看，我们看到“左2右2”这种均匀分布的可能性最大，而分子重新集中在一个室中，另一个室变成真空的可能性小。而实际上，气体系统中分子个数相当多，因此，撤去挡板后实际上我们只能看到气体向真空中扩散，而不可能观察到气体分子重新聚集在一室的现象。 从无序的角度上看，热力学系统是由大量作无序运动的分子组成的，因为任何热力学过程都伴随着分子的无序运动状态的变化，当撤去挡板的一瞬间，分子仍聚集在左室，对于左右两室这一个整体来讲，这显然是一种高度有序的分布，当气体分子自由扩散后，气体系统就变得无序了，因此，气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的，因此，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。这就是热力学第二定律的微观意义。 3．熵 教师：教师：引导学生阅读教材有关内容。 教师讲解：对于由大量分子构成的系统而言，宏观态包含的微观态数目往往很大，这不利于实际计算。为此，玻耳兹曼引进了熵的概念，并定义系统的熵为Ω，后来普朗克把它写成 Ω，式中 k叫做玻耳兹曼常数，S为系统的熵，Ω为一个宏观状态所对应的微观状态数目。 引入熵后，关于自然过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。从微观角度看，热力学的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，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度更大的方向发展。因此，热力学第二定律又叫做熵增加原理。 （三）课堂总结、点评 这节课我们学习了热力学第二定律的微观意义。从微观上解释，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。 在热力学中，引入了熵的概念后，热力学第二定律又称为熵增加原理：在任何自然过程