第十章 第4节 热力学第二定律 第5节 热力学第二定律的微观解释.ppt

第 4 节第 5 节 热力学第二定律热 力学第二定律的微观解释 目标导航 学习 目标 1 . 知道与热现象有关的宏观过程具有方向性。 2 . 能认识到热力学第二定律的不同表述方式是等效的。 3 . 能说出第二类永动机的设想及不可能实现的原因。 4 . 能说出热力学第二定律的微观本质及熵的概念和熵增 加原理。 重点 难点 重点 : 1 . 对热力学第二定律两种表述的认识。 2 . 对熵、熵的概念的理解及对相关问题的解释。 难点 : 对 “ 自发过程 ” 的理解 , 对孤立系统的 “ 熵 ” 的认识。 激趣诱思 1 . 地球上有大量的海水 , 它的总质量约为 1 . 4× 10 18 t, 只要这些海 水的温度降低 0 . 1 ℃ , 就能放出 5 . 8× 10 23 J 的能量 , 这相当于 1 800 万个功率为 100 万千瓦的核电站一年的发电量 , 为什么人们不去研 究这种新能源呢 ? 简答 : 原来这样做是不可能的 , 这涉及物理学的一个基本定律 , 这 就是本节要学习的热力学第二定律。 2 . 在热传递过程中 , 两个温度不同的物体放在一起 , 热量将自动 地由高温物体传到低温物体 , 使二者温度相同。从微观角度看 , 高温 与低温的区别在于分子的平均动能不同。如图所示 , 左边表示高温 物体中的分子 , 右边表示低温物体中的分子。两物体接触后 , 内能从 高温物体向低温物体传递 , 导致高温物体中的分子运动减慢 , 低温物 体中的分子运动加快 , 直到两物体达到相同的中间温度为止。这个 过程中 , 整个系统的无序程度增大还是减小了 ? 简答 : 热传导这是个不可逆过程使无序程度增加了。 预习导引 一、可逆与不可逆过程 1 . 热传导的方向性 : 热传导的过程可以自发地由 高温 物体向 低 温 物体进行 , 但相反方向却不能自发地进行 , 即热传导具有方向性 , 是 一个不可逆的过程。 高温物体 低温物体 2 . “ 自发地 ” 过程 : 当两个物体接触时 , 不需要任何第三者的介 入、不会对任何第三者产生任何影响 , 热量 就能从一个物体传向另 一个物体。这个自发的方向是从 高温 物体指向 低温 物体。 预习交流 1 覆水难收、破镜难圆 ; 水从高山流到河谷 , 不可能自己再返回高 处 ; 一滴墨水滴入一杯清水 , 会均匀地扩散开来 , 不可能再自动地凝成 一滴墨水……这些现象说明什么道理 ? 答案 : 自然界的宏观过程不可能自动地逆向进行。要使它们逆 向进行 , 就必须由外界对它们施加作用。 二、热力学第二定律 1 . 克劳修斯表述 : 热量不能自发地从 低温 物体传递到高温物 体。 2 . 热机 : 热机是把 内能 转化为机械能的装置。其原理是热机从 热源吸收热量 Q 1 , 推动活塞做功 W , 然后向冷凝器释放热量 Q 2 , 由能 量守恒定律可得 Q 1 =W+Q 2 。我们把热机 做的功 和它从 热源吸收 的热量 的比值叫作热机的效率 , 用 η 表示 , 即 η = ?? ?? 1 , 因为 WQ 1 , 所以 热机的效率不可能达到 100% 。 3 . 开尔文表述 : 不可能从 单一 热库吸收热量 , 使之完全变成功 , 而 不产生其他影响。 三、有序和无序 宏观态和微观态 1 . 有序和无序 : 只要确定了某种规则 , 符合这个规则的就叫作 有 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 , 有序则相反。有序和 无序是 相对 的。 2 . 宏观态和微观态 : 在统计物理学中 , 符合某种 规定 、 规则 的状 态 , 叫作热力学系统的宏观态。若规定、规则不同 , 则同一宏观态对 应不同的微观态。 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 的大小。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 , 同时也决定了宏观过程的方向性 —— 从 有序 到 无 序 。 四、气体向真空扩散 1 . 宏观自发过程的方向性 : 自发的过程总是倾向于出现与较多 微观态对应的宏观态 , 因此自发的过程总是从 有序 向着 无序 发展 的。 2 . 热力学第二定律的微观意义 : 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。 预习交流 2 热力学第二定律从微观上来说是描述气体分子分布有序无序 的 , 试列举一些生活中的有序无序对比的现象 , 比较哪种状态更容易 出现。 答案 : 任何事物放在一起总是呈现出有序或无