高中物理 第10章 热力学定律 5 热力学第二定律的微观解释课件3高二选修33物理课件
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热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度(chéngdù)．熵值越大的状态，系 统内粒子热运动就越混乱无序；熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无 序性就越小．
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第十二页，共二十三页。
3．熵增大原理
(1)由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状 态，也就是出现概率较大的宏观状态．在自然过程中熵总是增加的，其原 因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道(qúdào)要比通向有序 的渠道(qúdào)多得多．把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的 方式多得多．
答案：CD
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第十六页，共二十三页。
反思领悟：由于对热传递过程的微观解释不能真正理解，认为热 传递的自然过程是大量(dàliàng)分子从有序向无序的变化，而错选B．注 意大量分子都在做无规则运动，热传递使这种热运动由无序程度小变 为无序程度大．
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第十七页，共二十三页。
1．下面关于熵的有关说法错误的是( )
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中熵总是(zǒnɡ shì)增加的 C．热力学第二定律也叫做熵减小原理 D．熵值越大代表越无序
【答案】C
【解析】如果过程是可逆的，则熵不变；如果不可逆，则熵是 增加的，而且一切自然过程都是沿着分子热运动的无序性增大的方 向进行．
C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无 序程度大的运动状态转化的过程
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第十五页，共二十三页。
D．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
解析：分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观 过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原 理，热运动的结果只能使分子热运动更加(gènjiā)无序，而不是变成了 有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的 运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，C、D正确．
【答案】有序度较大 无序度较大
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热力学第二定律(dìnglǜ)的微观意义
例1 关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是 ()
A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序(wú xù)运 动状态转化的过程
(2)规定了某种规则(guīzé)，我们就规定了一个“宏观态”，这个 “宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应 的“微观态”的个数不同．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．
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第八页，共二十三页。
1．下列说法中正确的是( )
5 热力学第二定律(dìnglǜ)的微观解释
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第一页，共二十三页。
前面我们学习了热力学定律，明确了能量可以相互转化(zhuǎnhuà)且 守恒，还知道一切热现象都有一定的方向性．这一节我们重点从微观 角度来探究这方面的问题．
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第二页，共二十三页。
一、有序和无序 宏观态和微观态
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第三页，共二十三页。
二、热力学第二(dìèr)定律的微观意义
1．气体向真空的扩散
气体的自由扩散过程是沿着无序性________的方向进行的． 【答案】增大 2．热力学第二定律的微观意义
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性________的方向进
行．
【答案】增大
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第四页，共二十三页。
三、熵 1．熵的概念(gàiniàn)
物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的 ________，用字母S表示熵，则S＝kLnΩ
式中k叫做玻耳兹曼常量．
【答案】数目
2．熵增加原理 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会______．这就是熵 增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述．
2．熵的概念
S＝kLnΩ (1)既然(jìrán)微观态的数目Ω是分子运动无序性的一种量度，由于Ω 越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动无序性的量 度．
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第十一页，共二十三页。
(2)熵是热力学中的一个重要的状态函数(或叫状态参量)，热力学 系统(研究对象)处于任何一个状态都对应着一个熵函数，熵的大小表征着
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第十八页，共二十三页。
熵及熵增大(zēnɡ dà)原理
例2 如图所示，质量、温度相同的酒精(jiǔjīng)，分别处 于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为 什么？
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第十九页，共二十三页。
答案：根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又 有一种表述：由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增大 的方向进行(jìnxíng)，至少无序程度不会减少．也就是说，任何一个系统自 发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少．质量相同、温度 相同的酒精，可以由固体自发地向液体、气体转化，所以，气态时的熵最 大，其次是液态酒精，固态时的熵最小．
【解析(jiě xī)】热现象的宏观过程都是不可逆的，故A、B错，微 观态越多越无序，C错，故选D．
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热力学第二(dìèr)定律与熵
1．热力学第二定律的微观解释 我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的宏观 态．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．
1．系统的宏观(hóngguān)表现源于组成系统的微观粒子的 ______________．
【答案】统计规律 2．系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态的 ________和________，即对应微观态少的宏观态称为________，而对 应微观态多的宏观态称为________． 【答案】有序 无序 有序 无序
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第二十一页，共二十三页。
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第二十二页，共二十三页。
内容(nèiróng)总结
5 热力学第二定律(dìnglǜ)的微观解释。气体的自由扩散过程是沿着无序性________的方向进行的．。 B．气体向真空的自由膨胀是可逆的。C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”
A．机械能和内能之间的转化是可逆的 B．气体向真空的自由膨胀(péng zhàng)是可逆的 C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个 “宏观态”是比较有序的 D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这 个“宏观态”是比较无序的
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【答案】D
【答案】减小
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Hale Waihona Puke 第五页，共二十三页。如何理解有序和无序(wúxù)、宏观态和微观态
1．有序和无序
确定了某种规则，符合这个规则的就是(jiùshì)有序的，不符合确定 的规则和要求的分布是无序的．
(1)无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相反．
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第六页，共二十三页。
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．
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第七页，共二十三页。
(1)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 规则地变化着．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．
反思领悟：熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内
分子平均动能的大小一样，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵越 大．
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第二十页，共二十三页。
2．根据你对熵增加原理的理解，举出一些系统从有序变为无 序的例子(lìzi)．
【答案】根据熵增加原理，自然界的一切自发过程，总是朝着熵增加 的方向进行，而熵是描述系统无序程度的物理量，熵越大，无序程度越 高．所以，熵的增加就意味着系统无序程度的增加．这意味着自然界的一 切自发过程，总是朝着从有序向无序的方向转化．如：燃料的燃烧、气体 的扩散、一切生命体从产生到消亡，都经历了一个从有序到无序的发展过 程．
No 是比较有序的。D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较无序的。
2．根据你对熵增加原理的理解，举出一些系统从有序变为无序的例子．
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(2)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．如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．
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2．从微观角度而言，熵具有统计意义，它是系统内的一种(yī zhǒnɡ)量度．熵值较小的状态对应于____________的状态；熵值较大 的状态对应于____________的状态．(均选填“有序度较大”或“无 序度较大”)
(2)有序和无序是相对的．
举例：一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序排列 (páiliè)，但对号码的大小不做要求，这样的排列(páiliè)对于完全杂乱的一副牌 来说是有序的，但对于不仅有花样方面的要求，而且对号码顺序也有要求 的排列(páiliè)来说，就是无序的了．
2．宏观态和微观态
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3．熵增大原理
(1)由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状 态，也就是出现概率较大的宏观状态．在自然过程中熵总是增加的，其原 因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道(qúdào)要比通向有序 的渠道(qúdào)多得多．把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的 方式多得多．
答案：CD
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反思领悟：由于对热传递过程的微观解释不能真正理解，认为热 传递的自然过程是大量(dàliàng)分子从有序向无序的变化，而错选B．注 意大量分子都在做无规则运动，热传递使这种热运动由无序程度小变 为无序程度大．
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1．下面关于熵的有关说法错误的是( )
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中熵总是(zǒnɡ shì)增加的 C．热力学第二定律也叫做熵减小原理 D．熵值越大代表越无序
【答案】C
【解析】如果过程是可逆的，则熵不变；如果不可逆，则熵是 增加的，而且一切自然过程都是沿着分子热运动的无序性增大的方 向进行．
C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无 序程度大的运动状态转化的过程
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D．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
解析：分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观 过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原 理，热运动的结果只能使分子热运动更加(gènjiā)无序，而不是变成了 有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的 运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，C、D正确．
【答案】有序度较大 无序度较大
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热力学第二定律(dìnglǜ)的微观意义
例1 关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是 ()
A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序(wú xù)运 动状态转化的过程
(2)规定了某种规则(guīzé)，我们就规定了一个“宏观态”，这个 “宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应 的“微观态”的个数不同．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．
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1．下列说法中正确的是( )
5 热力学第二定律(dìnglǜ)的微观解释
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第一页，共二十三页。
前面我们学习了热力学定律，明确了能量可以相互转化(zhuǎnhuà)且 守恒，还知道一切热现象都有一定的方向性．这一节我们重点从微观 角度来探究这方面的问题．
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一、有序和无序 宏观态和微观态
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二、热力学第二(dìèr)定律的微观意义
1．气体向真空的扩散
气体的自由扩散过程是沿着无序性________的方向进行的． 【答案】增大 2．热力学第二定律的微观意义
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性________的方向进
行．
【答案】增大
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三、熵 1．熵的概念(gàiniàn)
物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的 ________，用字母S表示熵，则S＝kLnΩ
式中k叫做玻耳兹曼常量．
【答案】数目
2．熵增加原理 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会______．这就是熵 增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述．
2．熵的概念
S＝kLnΩ (1)既然(jìrán)微观态的数目Ω是分子运动无序性的一种量度，由于Ω 越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动无序性的量 度．
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(2)熵是热力学中的一个重要的状态函数(或叫状态参量)，热力学 系统(研究对象)处于任何一个状态都对应着一个熵函数，熵的大小表征着
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熵及熵增大(zēnɡ dà)原理
例2 如图所示，质量、温度相同的酒精(jiǔjīng)，分别处 于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为 什么？
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答案：根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又 有一种表述：由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增大 的方向进行(jìnxíng)，至少无序程度不会减少．也就是说，任何一个系统自 发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少．质量相同、温度 相同的酒精，可以由固体自发地向液体、气体转化，所以，气态时的熵最 大，其次是液态酒精，固态时的熵最小．
【解析(jiě xī)】热现象的宏观过程都是不可逆的，故A、B错，微 观态越多越无序，C错，故选D．
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热力学第二(dìèr)定律与熵
1．热力学第二定律的微观解释 我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的宏观 态．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．
1．系统的宏观(hóngguān)表现源于组成系统的微观粒子的 ______________．
【答案】统计规律 2．系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态的 ________和________，即对应微观态少的宏观态称为________，而对 应微观态多的宏观态称为________． 【答案】有序 无序 有序 无序
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内容(nèiróng)总结
5 热力学第二定律(dìnglǜ)的微观解释。气体的自由扩散过程是沿着无序性________的方向进行的．。 B．气体向真空的自由膨胀是可逆的。C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”
A．机械能和内能之间的转化是可逆的 B．气体向真空的自由膨胀(péng zhàng)是可逆的 C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个 “宏观态”是比较有序的 D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这 个“宏观态”是比较无序的
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【答案】D
【答案】减小
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Hale Waihona Puke 第五页，共二十三页。如何理解有序和无序(wúxù)、宏观态和微观态
1．有序和无序
确定了某种规则，符合这个规则的就是(jiùshì)有序的，不符合确定 的规则和要求的分布是无序的．
(1)无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相反．
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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．
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(1)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 规则地变化着．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．
反思领悟：熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内
分子平均动能的大小一样，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵越 大．
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2．根据你对熵增加原理的理解，举出一些系统从有序变为无 序的例子(lìzi)．
【答案】根据熵增加原理，自然界的一切自发过程，总是朝着熵增加 的方向进行，而熵是描述系统无序程度的物理量，熵越大，无序程度越 高．所以，熵的增加就意味着系统无序程度的增加．这意味着自然界的一 切自发过程，总是朝着从有序向无序的方向转化．如：燃料的燃烧、气体 的扩散、一切生命体从产生到消亡，都经历了一个从有序到无序的发展过 程．
No 是比较有序的。D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较无序的。
2．根据你对熵增加原理的理解，举出一些系统从有序变为无序的例子．
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(2)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．如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．
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2．从微观角度而言，熵具有统计意义，它是系统内的一种(yī zhǒnɡ)量度．熵值较小的状态对应于____________的状态；熵值较大 的状态对应于____________的状态．(均选填“有序度较大”或“无 序度较大”)
(2)有序和无序是相对的．
举例：一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序排列 (páiliè)，但对号码的大小不做要求，这样的排列(páiliè)对于完全杂乱的一副牌 来说是有序的，但对于不仅有花样方面的要求，而且对号码顺序也有要求 的排列(páiliè)来说，就是无序的了．
2．宏观态和微观态