第五节热力学第二定律的微观解释(最新教案)

第五节热力学第二定律的微观解说
教课目的：
（一）知识与技术
认识热力学第二定律的微观意义。

（二）过程与方法
经过对微观状态和宏观状态的剖析，理解熵的意义。

（三）感情、态度与价值观
经过对热力学第二定律微观意义的研究，激发学习物理的动力。

教课要点：
热力学第二定律的微观意义。

教课难点：
对熵和熵增添原理的理解。

教课方法：
叙述法、剖析概括法、阅读法
教课器具：
投影仪、投电影
教课过程：
（一）复习发问，引入新课
1、什么是热传导的方向性？
2、机械能和内能之间互相转变的方向性指的是什么？
3、什么是第二类永动机？为何第二类永动机不行能制成？
4、热力学第二定律的两种表述方式是什么？
学生思虑回答后，教师指出：系统的宏观表现源于构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何波及热运动的宏观过程会有必定的
方向性。

（二）新课教课
1、有序和无序宏观态与微观态
指引学生阅读教材相关内容，以“扑克牌”为例，领会“有序”和“无序”的含义，进而进一步领会“宏观态”和“微观态”的含义。

教师解说：
当我们以系统的分子数散布而不划分详细的分子来描绘的系统状态叫热力学
系统的宏观态；假如使用分子数散布并且划分详细的分子来描绘的系统状态叫热
力学系统的微观态。

在热力学系统中，因为存在大批粒子的无规则热运动，任一时辰各个粒子处于何种运动状态完整部是有时的，并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散布，都代表系统的一个微观态，系统的微观态的数目是大批的，在随意时辰系统随机地处于此中随意一个微观态。

下边我们以上图所示的状况为例来进一步加以说明。

假定容器中体积相等的A、B 两室内拥有 a、b、c、d 一共 4 个全同的分子，它们在A、 B 两室内的散布状况共有 16 种方式。

详细散布以下：
（0，4）1（0，abcd）
4
（ l ，3）［（a，bcd），（b，acd），（c，abd），（d，abc）］
（2，2）（cd，ab）］
（3，l ）
（4，0）
6
4
1
［（ ab，cd ），（ ac，bd），（ad， bc），（ bc，ad），（bd，ac），［（ bcd，a），（acd，b），（ abd，c），（abc， d）］（abcd， 0）
上边的散布表达中，如（ 2，2）表示一个宏观态（即 A、B 两室内各有 2 个分子但不划分详细分子）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，不一样的宏观态包括着不一样数目的微
观态，此中以 A、 B 两室各有 2 个分子的宏观态包括的微观态数目最多（ 6 个）而以 4 个分子所有散布在 A 室或所有散布在 B 室的宏观态所包括的微观态数目最
少（都是 1 个）。

假如一个“宏观态”对应的“微观态”比许多，就说这个“宏观态”是比较
无序的。

2、气体向真空的扩散
教师指引学生阅读教材相关内容。

教师解说：一个箱子被挡板分为左、右两室，假定左室气体只有 a， b， c， d 4 个分子，右室为真空，撤去挡板后，气体由左向右扩散，因为各个微观态出现的
概率是同样的，从宏观上看，我们看到“左 2 右 2”这类平均散布的可能性最大，而分子从头集中在一个室中，另一个室变为真空的可能性小。

而实质上，气系统统中分子个数相当多，所以，撤去挡板后实质上我们只好看到气体向真空中扩散，而不行能察看到气体分子从头齐集在一室的现象。

从无序的角度上看，热力学系统是由大批作无序运动的分子构成的，因为任何热力学过程都陪伴着分子的无序运动状态的变化，当撤去挡板的一瞬时，分子仍齐集在左室，对于左右两室这一个整体来讲，这明显是一种高度有序的散布，
当气体分子自由扩散后，气系统统就变得无序了，所以，气体的自由扩散过程是
沿着无序性增大的方向进行的，所以，全部自然过程老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
教师指引学生阅读教材相关内容。

教师解说：一个宏观状态对应的微观状态的多少是一个特别重要的物理量，它标记着这个系统宏观态的无序程度，从中还能够知道系统将朝什么方向发展，物理学中就用Ω来表示一个宏观态所对应的微观态的数目。

比如在炒地皮的过程中，某个人将抓到的牌依据黑桃、红桃、草花、方块的次序但没有依据从小到大的次序摆列，那么他所抓到的牌可能有多种摆列方式，这些摆列方式的数目就等于Ω
说明：为了研究的方便，在物理学中引入了一个熵的观点，用符号 S 表示。

熵和Ω之间存在以下的关系（ S＝kln Ω，此中 k 是一个常数称之为玻耳兹曼常数， ln 是自然对数符号）。

在自觉过程中，是由有序向无序发展，Ω、S 都要增大。

所以在引入熵这个观点此后，对于自觉过程的方向性就能够表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少。

这就是用熵表示的热力学第二定律，为此，许多人也把热力学第二定律称之为熵增添原理。

对熵增添原理的理解：
（1）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
（2）在自然过程中，熵老是增添的，其原由并不是因为有序是不行能的，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
（3）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
自觉过程中老是向熵增添的方向发展，而熵值较大代表着较为无序（三）讲堂小结
学生自己总结本节课所学内容并与同学沟通
（四）部署作业
问题与练习 1、2、3。