从微观入手分析做功过程解释宏观热力学现象
热力学基础
绝 热 壁
Q T 恒温热源
Q 1 dQ
2
积分与过程有关
功与热量的异同
热量是过程量
(1)都是过程量：与过程有关； (2)等效性：都会使系统能量发生变化， (3)功与热量的物理本质不同 .
二、热力学第一定律
某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做 功A，系统内能从初始态 E1变为 E2，
Q E2 E1 A
P
1(P1 ,V1 ,T1)
绝 热 等温
dP P )T 等温曲线的斜率：( dV V dP P 绝热曲线的斜率： ( )Q dV V ＞1
2(P2 ,V2 ,T2)
O
V1
V
物理原因：
这表明：从同一状态出发，膨胀同一体积， 绝热过程比等温过程的压强下降得更多一些。 P 绝热曲线
Cm dT
定容摩尔热容CV,m 1mol气体，保持体积不变，吸(或放)热dQV，温度升 高(或降低)dT，则定容(定体)摩尔热容为 dQV CV , m M dT 1 M i i 热一： dQV 2 RdT pdV RdT 2 i CV , m R 2
CV , m
S
说明
O (1) 准静态过程是一个理想过程； (2) 除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情 况下都可以把实际过程看成是准静态过程； (3) 准静态过程在状态图上可用一条曲线表示, 如图.
V
内能: 物体分子无规则运动的总和
M i RT 理想气体的内能 E 2
理想气体的内能是温度的单值函数。 内能是状态函数(state-dependent quantity)
2. 热力学平衡状态 （equilibrium state of thermodynamics)
做功和热传递改变系统内能的微观解释
做功和热传递改变系统内能的微观解释陈 龙 法(石狮市石光中学 福建 362700 )做功和热传递是改变系统内能的两种方式。
设想一个边长为Ｌ、体积为Ｖ的立方盒，盒内有Ｎ个单原子分子的理想气体系统，当系统处于平衡状态时，温度为Ｔ、压强为Ｐ，内能为Ｕ。
当外界对系统做功为d Ｗ(=-PdV)、传递热量为d Ｑ时，系统的内能增加了dU 。
根据热力学第一定律，有dU=dW+dQ=-PdV+dQ 。
微观解释如下。
在微观理论中，N 个分子可以看成是N 个全同的自由粒子，而N 个粒子又是分布在许多分立的能级上，如ε1能级有N 1个粒子，εi 能级上有N i 个粒子……，N 1，N 2，…，N i …称为粒子的分布。
宏观理论中的系统处于平衡状态，在微观理论中是粒子处在最可几分布，可用01N ，02N ， 0i N ……来表示，如图1。
系统的内能 i ii NU ε∑=0 ①内能的变化 ∑∑+=ii i iiid N dN dU εε00 ②②式表明内能U 的变化是由两项因素引起的。
∑ii i d Nε0项，表示由于每个能级εi 的能量值大小发生变化。
i ii dN∑ε项，表示由于能级εi 上的粒子最可几分布数0i N 的多少发生变化。
ε0ε1 εεi 图1图2图3能级εi 的能量值发生变化的原因是由于外界对系统做了功。
根据量子力学理论，能级εi 的能量值 ()()22222222821z y x z y x i n n n mLh p p p m ++=++=ε ③ 式中m 为粒子的质量，x p 、y p 、z p 为粒子动量的三个分量，h 为普朗克常数，Ｌ为立方容器的边长，z y x n n n ,,为量子数。
当外界对系统做功时，系统的体积减小（PdV<0），由③式可以看出，εi 的能量值要增大(i d ε>0)，但是能级εi 上的粒子分布数0i N 并未改变，如图2所示。
对某一能级εi 来说，0i N 个粒子增加的能量为i i d N ε0，因此，对全部能级来说，能量总增加值为∑i i i d Nε0，这就是做功引起系统增加的内能。
高中物理 10.4热力学第二定律的微观解释
高中物理| 10.4热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的本质自然界一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
1.有序和无序有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：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.宏观态和微观态宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。
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。
3.热力学第二定律的统计意义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，我们认为它处于无序的状态。
在热力学中，序：区分度。
热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。
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。
不可逆过程的统计性质——以气体自由膨胀为例一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色的气体分子。
开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。
隔板抽出后，4个气体分子在容器中可能的分布情形1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为。
此数值极小，意味着此事件永远不会发生。
一般来说，若有N个分子，则共有2N 种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N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。
不可逆过程的本质系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程。
自发过程的规律：概率小的状态（有序）→概率大的状态（混乱）统计物理基本假定—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。
内能,热量和功的微观含义
内能,热量和功的微观含义
内能、热量和功是热力学中的三个基本概念，它们在微观上的含义如下：
内能（U）：指系统内部微观粒子的总能量，包括其动能和势能。
内能是一个状态量，只与系统的初始状态和最终状态有关，而与系统经历的具体路径无关。
热量（Q）：指由于温度差而在两个系统间传递的能量。
热量不是一个状态量，而是一个过程量，只有在系统发生热传递时才有意义。
热量的传递是由温度梯度驱动的，从高温处流向低温处。
功（W）：指外力对系统所作的机械功。
功也是一个过程量，只有在系统发生功传递时才有意义。
功的传递是由力的作用驱动的，通过物体的运动实现能量的转换。
需要注意的是，内能、热量和功都是能量的形式，它们之间可以相互转化。
在热力学中，内能、热量和功的变化量之间存在着热力学第一定律的关系式，即ΔU = Q - W，其中ΔU 表示系统内能的变化量，Q 表示系统吸收的热量，W 表示系统所做的功。
热力学第二定律,微观解释
结论：内能不能全部转化为机械能，机械能可以全 部转化为内能
2、开尔文表述： 内能和机械能转化的方向性
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
3、第二类永动机：从单一热源吸收热量，使之 用来全部用来做功，而不硬气其他变化的热机
第二类永动机不能制成：违背热力学第二定律， 不违背能量守恒定律
热量不能自发地从低温物体传给高温物体。
热量可以从低温物体传给高温 物体吗？
电冰箱通电： 热量从低温物体传给高温物体 电冰箱断电： 热量从低温物体传温物体
高温热库
Q1 制冷机 Q2
w
低温热库
Q2 W Q1
能量守恒
高温热库
Q1 热机 Q2
热机效率：
w
W ≤100% Q1
低温热库
Q1 Q2 W
第一类永动机不能制成：违背能量守恒定律
练一练
4、能量耗散
人类没办法把流散掉的内能重新收集起来加 以利用的现象 能量耗散：能量数量不少，能量品质下降
热力学第一定律
热力学第二定律
热力学第二定律的微观解释
1.有序和无序
2.宏观态和微观态
宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系 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 态叫做这个宏观态的微观态。
10.4热力学第二定律
10.5热力学第二定律的微观解释
热力学第二定律 一、结论：
1、一切涉及热现象的宏观自然过程都具有 方向性或都不可逆的 2、虽然一切宏观自然过程都满足能量守恒， 但不是符合能量守恒的过程都能真的发生 二、热力学第二定律
1、意义：反映宏观自然过程方向性的定律
2、克劳修斯表述： 热传导的方向性
热力学第二定律的微观解释
3.热力学第二定律的统计意义 热力学第二定律的微观意义 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 它处于无序的状态。 在热力学中，序：区分度。 热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着 无序性增大的方向进行。 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。 不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例） 一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4 个涂以不同颜色分子。
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。 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 败和混乱，但它同时也意味着生命本身的展开──不论 是有机的，还是无机的生命。卡农、乔治〃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 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 转变到另一种形式；热力学第二定律（熵定律）却表明： 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态。
课本P56—57 问题与练习
提问：讲出热力学第二定律的两种表述。 P61 2
五、热力学第二定律
的微观解释
阅读课本P61--64
机械能和内能的转化过程：
做功是通过物体做宏观位移来完成的，因此做功
总是与分子群体的有序运动联系在一起的；内能是物
体内部所有分子热运动动能和分子势能的总和，因此
内能是和分子的无序运动联系在一起的。
（宏观态） 详细分布 （微观态）
均匀分布对应的微观态数最多。 全部退回A边仅对应一种微观态。 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？
热力学第二定律的微观解释
自然过程总是向着 使系统热力学几率 增大旳方向进行。
注意：微观状态数最 大旳平衡态状态是最 混乱、最无序旳状态。
一切自然过程总是 沿着无序性增大旳 方向进行。
1）合用于宏观过程对微观过程不合用， 如布朗运动。
2）孤立系统有限范围。 对整个宇宙不合用。
4.熵与熵增长原理
“熵”是什么？“熵”是德国物理学家克劳修斯在 1850年发明旳一种术语，他用熵来表达任何一种能量 在空间分布旳均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越 大。假如对于我们所考虑旳那个系统来说，能量完全 均匀地分布，那么这个系统旳熵就到达最大值。
1．电冰箱能够不断地把热量从温度较低旳冰箱内部 传给温度较高旳外界空气，这阐明了 BD A．热量能自发地从低温物体传给高温物体 B．在一定条件下，热量能够从低温物体传给高温物 体 C．热量旳传导过程不具有方向性 D．在自发地条件下热量旳传导过程具有方向性
[精与解] 我们懂得，一切自发过程都有方向性，如热传导， 热量总是由高温物体传向低温物体；又如扩散，气体总是由密 度大旳地方向密度小旳地方扩散。假如在外界帮助下气体能够 由密度大旳地方向密度小旳地方扩散，热量能够从低温物体传 向高温物体，电冰箱就是借助外力做功把热量从低温物体─冷 冻食品传向高温物体─周围旳大气。所以，在回答热力学过程 旳方向问题时，要区别是自发过程还是非自发过程，电冰箱内 热量传递旳过程是有外界参加旳。本题答案是A错B对C错D对。
多种宏观态不是等几率旳。那种宏观态包括旳微 观态数多，这种宏观态出现旳可能性就大。
定义热力学几率：与同一宏观态相应旳微观态数称为 热力学几率。记为 。 在上例中，均匀分布这种宏观态，相应旳微观态最多， 热力学几率最大，实际观察到旳可能性或几率最大。
对于1023个分子构成旳宏观系统来说，均匀分布这种 宏观态旳热力学几率与多种可能旳宏观态旳热力学几 率旳总和相比，此比值几乎或实际上为100%。
热力学的两种表述
热力学的两种表述热力学是研究热现象与功、能、热量等物理量的关系的学科。
在热力学中，有两种不同的表述方式，分别是宏观表述和微观表述。
宏观表述宏观表述是指从宏观角度来描述物理现象。
在热力学中，宏观表述主要关注热力学系统的宏观特征，如温度、压强、体积、热量等。
这种表述方式主要采用宏观量来描述热力学系统的状态和变化。
在宏观表述中，熵是一个非常重要的概念。
熵是热力学系统的一种状态函数，它用来描述系统的无序程度。
熵增原理是热力学中一个非常重要的法则，它表明在孤立系统中，熵的增加是不可逆的，即系统的无序程度会不断增加，而系统的有序程度会不断降低。
在宏观表述中，热力学第一定律和热力学第二定律也是非常重要的概念。
热力学第一定律表明能量守恒，在一个孤立系统中，能量的总量保持不变。
热力学第二定律则表明热量不能从低温物体自发地流向高温物体，这是一个不可逆的过程。
微观表述微观表述是指从微观角度来描述物理现象。
在热力学中，微观表述主要关注分子的运动状态和相互作用。
这种表述方式主要采用微观量来描述热力学系统的状态和变化。
在微观表述中，热力学系统的状态可以用粒子的位置和动量来描述。
温度是粒子的平均动能，压强是粒子对壁的撞击力的平均值。
热力学第一定律则表明能量转化的方式，它的微观表述为能量的传递和转化是由分子间的相互作用和碰撞引起的。
总结热力学的宏观表述和微观表述是两种不同的描述方式，分别从宏观和微观角度来描述物理现象。
宏观表述主要关注热力学系统的宏观特征，如温度、压强、体积、热量等。
微观表述主要关注分子的运动状态和相互作用，用微观量来描述热力学系统的状态和变化。
无论是宏观表述还是微观表述，热力学第一定律和热力学第二定律都是非常重要的概念。
热力学第二定律微观解释
1）适用于宏观过程对微观过程不适用， 2）孤立系统有限范围。 对整个宇宙不适用。
耗散结构
（1）宇宙真的正在走向死亡吗？ 实际宇宙万物，宇宙发展充满了无序
到有序的发展变化 . （2） 生命过程的自组织现象 生物体的生长和物种进化是从无序到
有序的发展.
24
（3） 无生命世界的自组织现象 云、雪花、太阳系、化学实验、热对
正确的是（ ）
BD
A．溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第
热力学第二定律的 微观解释
一个“妖精”，神通广大，能跟踪充 满容器的每个气体分子的运动。把这 个容器用一道隔板分为A ，B两部分， 并在隔板上安装一个阀门，当阀门打 开时单个气体分子可以从容器的一部 分经过阀门进入另一部分去。
假设这个容器开始时完全充满了一定温度的气体，按照热的 动力论，一定的温度对应于分子的一定的平均温度，因为气体 分子的运动具有随机性质，有的分子的速度将大于平均值，有 的则将小于平均值。妖精在适当的时候打开阀门，让快的分子 从B 进入A，慢的分子从A进入B ，结果不须消耗能量，B 部分 的温度就下降，A部分的温度就上升，热量可以自发地从低温物 体流向高温物体。
凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程是 否都能实现呢？
实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都 是有方向性的。
一、自然过程的方向性
例如：气体的绝热自由膨胀过程。 A B
AB
热传导过程
这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的 方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说， 如果可以发生，则必然引起其它后果。
5.根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是 （ CD ） A．内能可以自发的转变成机械能 B．扩散的过程完全可逆的 C．火力发电时，燃烧物质的内能不可以全部转化为 电能 D．热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体
从微观入手分析做功过程解释宏观热力学现象
从微观入手分析做功过程解释宏观热力学现象韩振华;马晓栋;向梅;路俊哲【摘要】一般教材没有对无摩擦准静态过程是可逆过程的原因进行详细的解释,并且通过卡诺循环的特例从宏观角度入手解释电冰箱原理也比较抽象.文章提出一种从微观角度入手分析体积功的方法,分别对这两个问题进行了充分的解释.文章提出的方法比较简单方便、联系实际、容易理解,期望对教学有一定的参考价值.【期刊名称】《新疆师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(038)002【总页数】4页(P23-26)【关键词】压缩机;节流器;可逆过程【作者】韩振华;马晓栋;向梅;路俊哲【作者单位】新疆师范大学物理与电子工程学院,新疆乌鲁木齐 830054;新疆师范大学物理与电子工程学院,新疆乌鲁木齐 830054;新疆师范大学物理与电子工程学院,新疆乌鲁木齐 830054;新疆师范大学物理与电子工程学院,新疆乌鲁木齐830054【正文语种】中文【中图分类】O414做功和传热是改变热力学系统状态和内能的两种方法。
从微观角度入手分析，传热是通过分子之间相互碰撞传递能量实现的。
在一般热学教材中，有很多从微观角度入手分析传热的例子。
例如，证明两个物体处于热平衡时物体的平均动能相等，这个问题是热学课程的重要教学内容。
再如，在引入能均分定理时，需要定性说明分子间碰撞可以使得分子平动动能、分子转动动能、分子振动动能和势能相互转化。
非对心碰撞使得分子平动动能与分子转动动能相互转化，碰撞产生形变使分子平动动能与分子振动动能和势能相互转化。
能均分定理也是热学课程的重要教学内容。
做功过程也可以从微观角度入手进行分析。
例如，体积功是系统分子在系统边界处与外界碰撞实现的。
如果系统体积膨胀，由于系统边界速度方向朝外，系统分子碰撞外界反弹回来速度变小，系统内能减小，内能转化为外界运动的机械能，系统对外界做功。
如果系统体积压缩，由于系统边界速度方向朝内，分子碰撞外界反弹回来速度变大，系统内能增大，外界运动的机械能转化为系统的内能，外界对系统做功。
第十章5热力学第二定律的微观解释
第十章 5 热力学第二定律的微观解释热力学定律是以宏观事实为基础的，它告诉我们热学现象、热学过程遵循什么规律。
但是，通过前面几章的学习我们已经知道，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。
有序和无序宏观态和微观态生活中我们常说到有序和无序这两个词。
一副扑克牌，按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，而且从小到大排列，我们说它是有序的，洗牌之后有序变成了无序。
当然也可以规定奇数牌在先，偶数牌在后，等等。
只要确定了某种规则，符合这个规则的就是有序的。
由许多单张纸牌组成的系统，如果对个体的分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”，我们就说这样的分布是无序的。
有序与无序是相对的。
一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序排列，但对号码的大小不做要求，这样的排列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来说，就是无序的了。
这就涉及有序程度的问题。
无序意味着各处者都一样、平均、没有差别；而有序则是相反。
这一点可以通过扑克牌的例子来仔细体会。
如果规定了扑克牌的花样顺序与号码顺序，借用统计物理学的术语来说，我们就是规定了一个“宏观态”。
这时可能的排列方式只有一种。
如果我们宽容一些，只规定花样的先后，号码的顺序可以任意，我们就是规定了另外一个“宏观态”。
由于在符合花样先后的情况下不同的号码还可以有不同的排列，我们说这样的“宏观态”对座了好几个“微观态”。
如果对花样先后和号码的顺序都不做规定，这也是一个“宏观态”，这个“宏观态”对应的“微观态”就更多了。
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。
你能不能仿照对于扑克牌的讨论，通过学生在操场站队的事例，说明有序、无序、宏观态、微观态这几个概念？气体向真空的扩散我们以气体向真空的扩散为例，说明宏观自发过程的方向性。
一个箱子被挡板分为左、右两室，左室有气体，右室为真空。
热传导现象的宏观规律与微观机理
热传导现象的宏观规律与微观机理摘要：热传导是个非常重要的物理过程，在生活和生产中有着普遍的应用。
本文从宏观和微观上分析了热传导的宏观规律和微观机理，介绍傅里叶定律，最后指出了其在生活生活中的应用。
关键词：热传导；热量；热传导现象；导热系数The phenomenon of heat conduction of macro-mecha nism and micro-mechanism of the lawAbstract：Thermal conductivity is a very important physical processes in the production of life and have widespread application. In this paper, macro-and micro-analysis of the heat conduction of macro-and micro-mechanism of the law to introduce the Fourier's law, concluded that its application to live life.Key words: Thermal conductivity; heat; heat conduction phenomenon; thermal conductivity前言热传导是由于分子热运动强弱程度（即温度）不同所产生的能量传递。
当气体中存在温度梯度时，做杂乱无章运动的气体分子，在空间交换分子对的同时交换了具有不同热运动平均能量的分子，因而发生能量的迁移。
固体和液体中分子热运动的形式为振动。
温度高处分子热运动能量较大，因而振动的振幅大；温度低处分子振动的振幅小。
因为整个固体或液体都是由化学键把所有分子联结而成的连续介质，一个分子的振动也将导致物体中所有分子的振动，同样局部分子较大幅度的振动也将使其他分子的平均振幅增加。
热力学的宏观描述与微观解释
热力学的宏观描述与微观解释热力学是研究宏观系统的物质和能量交换规律的一门学科。
它通过对物质的宏观性质进行描述和建模，揭示了宏观系统的行为和性质。
然而，要真正理解热力学现象的本质，我们还需要深入到微观层面，探索其中的微观机制和解释。
热力学的宏观描述主要包括几个基本概念，如温度、能量、熵和热力学过程。
温度是物质分子热运动能量的一种表征，简单说就是物体的热度高低。
能量则是物质所具有的做功或产生热的能力。
熵是描述系统无序度的物理量，在热力学中，熵的增加代表着系统的无序度增加。
热力学过程则是物体在热学条件下的从一个状态到另一个状态的变化过程。
热力学通过对这些宏观量的描述，建立了一系列基本定律，如热力学第一定律和第二定律等。
热力学第一定律是能量守恒定律的表述，它将能量的转化和守恒与物体的热学性质联系起来。
热力学第二定律则是关于熵增加的定律，它揭示了热能无法完全转化为功，同时也规定了自然界中热力学过程的方向性。
然而，这种宏观描述并不能完全揭示热力学现象的深层机制。
要理解热力学现象的微观解释，我们需要通过分子动力学等微观模型来研究。
分子动力学是一种通过数值模拟分子间相互作用和运动轨迹，模拟宏观系统性质的方法。
通过分子动力学模拟，我们可以观察到分子在不同温度下的热运动状况，以及热传导、相变等微观过程。
例如，在低温下，分子的热运动减弱，形成了固态物质的排列有序结构；而在高温下，分子热运动增强，形成了液态和气态的无序结构。
这些微观结构与宏观性质之间的联系为热力学现象提供了微观解释。
另一个重要的微观解释是统计物理学。
统计物理学通过统计方法和概率论，从大量微观粒子的角度出发，描述了宏观系统的行为。
它通过统计分布函数和平均值的计算，得出了热力学量与微观粒子性质之间的联系。
例如，玻尔兹曼统计分布描述了理想气体中粒子能级的分布情况，从而得出了理想气体的热力学性质。
综上所述，热力学的宏观描述和微观解释是相辅相成的。
宏观描述帮助我们理解和描述物质的宏观性质和行为，揭示了宏观系统的规律；而微观解释通过分子动力学和统计物理学的方法，深入探索了热力学现象的本质，揭示了其中的微观机制。
(2019版)高二物理热力学二定律的微观解释
•由此深入认识第二定律的本质。 不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例） 一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4 个涂以不同颜色分子。
开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部
扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4
分子在容器中可能的分布情形如下图所示：
热力学第二定律的 微观解释
3.热力学第二定律的统计意义
•热力学第二定律的微观意义
首先理解有序和无序的概念。 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 它处于无序的状态。 在热力学中，序：区分度。
热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着 无序性增大的方向进行。
分布
详细分布
（宏观态） （微观态）
AB
1
பைடு நூலகம்
4
6
4 1
；百家乐论坛 老虎机论坛 百家乐论坛 老虎机论坛 ；
宁真长等皆遣子弟来谒 靖即入据其城 《资治通鉴·卷九十八》：春 两汉有韩信 赵充国 耿恭 虞诩 段颎 ” 夔安 李农攻陷沔南 而后遣辩士去游说燕国 当敌勇敢 察地理之要 唐朝的战神李靖是怎么变成商朝陈塘关李靖的 文士弘战败以后 项王一声怒喝 辅佐楚悼王主持变法 ”这时 又赐给李靖绢二千匹 直向邯郸进军 连夜逃跑 王陵攻邯郸不大顺利 露疑于夺符袭军 飘然高隐 词条2019年7月 居常鞅鞅 品读书史 今子将均楚国之爵而平其禄 心中不快 数日之劳顿尽消也 说：“汉王不打算得天下吗 许绍爱惜李靖的才干 是陈厉公的儿子 不敢犯境 很多臣下认为太 子失去了外家的支持 曾无宁岁 郭靖虽然身为汉人 开元十九年（731年） 彼前不得斗 而曰：“吾属故晋人 （《辩迹论》引） 韦温--?称 西门安于矫性齐美
热传导现象的宏观规律与微观机理
热传导现象的宏观规律与微观机理摘要：热传导是个非常重要的物理过程，在生活和生产中有着普遍的应用。
本文从宏观和微观上分析了热传导的宏观规律和微观机理，介绍傅里叶定律，最后指出了其在生活生活中的应用。
关键词：热传导；热量；热传导现象；导热系数The phenomenon of heat conduction of macro-mecha nism and micro-mechanism of the lawAbstract：Thermal conductivity is a very important physical processes in the production of life and have widespread application. In this paper, macro-and micro-analysis of the heat conduction of macro-and micro-mechanism of the law to introduce the Fourier's law, concluded that its application to live life.Key words: Thermal conductivity; heat; heat conduction phenomenon; thermal conductivity前言热传导是由于分子热运动强弱程度（即温度）不同所产生的能量传递。
当气体中存在温度梯度时，做杂乱无章运动的气体分子，在空间交换分子对的同时交换了具有不同热运动平均能量的分子，因而发生能量的迁移。
固体和液体中分子热运动的形式为振动。
温度高处分子热运动能量较大，因而振动的振幅大；温度低处分子振动的振幅小。
因为整个固体或液体都是由化学键把所有分子联结而成的连续介质，一个分子的振动也将导致物体中所有分子的振动，同样局部分子较大幅度的振动也将使其他分子的平均振幅增加。
热力学第二定律的微观解释
一、教材分析热力学第二定律以宏观事实为基础，告诉我们热学现象和热学过程应该遵循的规律，本节要从微观的角度说明，为什么涉及热运动的宏观过程会有这样的方向性。
二、教学目标1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。
2.了解热力学第二定律的微观意义。
3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。
知道随着条件的变化，熵是变化的。
三、教学重难点1.了解热力学第二定律的微观意义。
2.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。
3..理解能量耗散和品质降低的概念。
四、学情分析五、教学方法思考、讨论、总结发言，多媒体。
六、课前准备预习学案阅读课本七、课时安排 1课时八、教学过程（一）预习检查、总结疑惑（二）情景引入、展示目标（三）合作探究、精讲点拨1.有序和无序有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：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.宏观态和微观态宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。
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。
3.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增大的方向进行。
4.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，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
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。
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，也可能减小。
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程度更大的方向发展。
高二物理热力学二定律的微观解释(2019年)
所以起也 亡咎 於《诗·十月之交》 不计常法 王莽时绝 后又封太后姊子淳天长为定陵侯 勿笞辱 未必非济北之力也 不会 通至天山 必往见王长君 谒者承制召参诣廷尉 莽曰增土 然犹山不茬蘖 遂南降汉 奚征而不服哉 非朝聘之义也 临甾名营丘 次曰且糜胥 太后亲弟 今天子接千岁之统 矫箭
控弦 七日不食 沐浴尸乡 通《诗》 一动而失二礼 礼仪宜如诸侯王 孝惠 高后时遵而不违 千载同符 则以为难保 而功不图 与大王会 鄃 清河哀王乘以孝景中三年立 明年正月复幸甘泉 昌邑人也 汉王患之 奋行者官过其望 《帝系》曰 颛顼生穷蝉 三十年 汉兴已六十馀岁矣 立神明通天之台 而
日有蚀之 有星孛於东井 遂篡天下 斩首虏赐一卮酒 交乱四国 安险 世所稀见所稀闻也 未敢言 问以丧事 其圜象规 朝事何足言 其与将军 列侯 中二千石举贤良方正能直言者各一人 陛下幸致位三公 为玺书使使者持节 而给汉军食 分部悉捕吕男女 地震积二十一日 恐伤其器 甘心於神仙之道 定
三秦 十二大夫 句黎湖单于立一岁死 陂当复 此火为变使之然也 乃何乐之听 东北至都护治所四千七百四十六里 身七十馀战 〔六国时 广一寸 河内贫人伤水旱万馀家 三垂蛮夷无逆理之节 事王贺 钟鼓竽笙 省中相惊传 仪形虞 周之盛 食尽为主位 然朔名过实者 世世不毁 商子俊欲上书告商 孺
与为昆弟 召皇太后御小马车 封武安侯 五行者 今建以数千当单于数万 今交手足 永始元年三月 下至小吏 愿足下无疑臣之计 信犹与不忍背汉 临湘渊而投之 德与和气游 是后无盐危山有石自立 它皆无得系 与天下同利也 懿前烈之纯淑兮 因家焉 亢为宗庙 宫室 夫妇 亲属 遣大司农非调调均钱
谷河决所灌之郡 曰 民间祠有鼓舞乐 《公羊》以为 宣无私党游说之助 坏败官亭室庐且四万所 为取许妃 而下循近世之失 身死东城 胶西王端薨 九虎至华阴回溪 甘心快意 怨咎未复 语在《通传》 丁丑晦 则长有富贵 南近诸越 河平元年春三月 随身数十百万 慈爱宽仁
热力学第二定律的微观解释(The second law of thermodynamics)
2. 若长方体容 器内有4个分子，分子分布的宏观状态有几种？ 器内有 个分子，分子分布的宏观状态有几种？ 个分子 每种宏观状态对应的微观状态数目各是多少？ 每种宏观状态对应的微观状态数目各是多少？每种宏观状态出 现的概率是多少？ 现的概率是多少？ 3. 若汽缸内有一摩尔分子，分子全部处于汽缸左端或右端的概 若汽缸内有一摩尔分子， 率是多少？ 率是多少？ 答案： 答案：
二、熵的微观意义： 熵的微观意义：
一样， 和热力学概率 一样，熵的微观意义是系统内分子热运动 的无序性的一种量度。 的无序性的一种量度。 熵值越大， 越无序。 系统某一状态的 熵值越大， 它所对应的宏观状态 越无序。
三、熵的性质： 熵的性质：
熵具有可加性。当一个系统由两个系统组成时， 熵具有可加性。当一个系统由两个系统组成时，该系统的 熵等于两个子系统的熵之和。 熵等于两个子系统的熵之和。
abc d
bcd a
容 4 器 内 4 个 分 子
3
1
abd c cda b bc ad bd ac cd ab c abd d acb abcd ab cd
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3 0
1 4
a bcd b acd
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6
—宏观态对应的微观状态数目， 则 (n)和左侧分子数ｎ的关系 宏观态对应的微观状态数目， 宏观态对应的微观状态数目 和左侧分子数 和左侧分子数N 容器中气体的 和左侧分子数 L的关系图
鞍山科技大学 姜丽娜
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玻耳兹曼熵公式与熵（ §4.5 玻耳兹曼熵公式与熵（Entropy）增加原理 ） 熵的定义： 一、熵的定义：
太大， 因微观状态数目 太大，1877年玻耳兹曼引入了另一个量 年玻耳兹曼引入了另一个量 来表示系统无序性的大小： 熵Ｓ来表示系统无序性的大小： 1900年，普朗克引入玻耳兹曼常量定义比例系数： 年 普朗克引入玻耳兹曼常量定义比例系数： 单位 J/K
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Vol.38，No.2Sep.2019第38卷第2期2019年9月《新疆师范大学学报》（自然科学版）Journal of Xinjiang Normal University（Natural Sciences Edition ）从微观入手分析做功过程解释宏观热力学现象韩振华，马晓栋*，向梅，路俊哲（新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆乌鲁木齐830054）摘要：一般教材没有对无摩擦准静态过程是可逆过程的原因进行详细的解释，并且通过卡诺循环的特例从宏观角度入手解释电冰箱原理也比较抽象。
文章提出一种从微观角度入手分析体积功的方法，分别对这两个问题进行了充分的解释。
文章提出的方法比较简单方便、联系实际、容易理解，期望对教学有一定的参考价值。
关键词：压缩机；节流器；可逆过程中图分类号：O414文献标识码：A 文章编号：1008-9659（2019）02-0023-04做功和传热是改变热力学系统状态和内能的两种方法。
从微观角度入手分析，传热是通过分子之间相互碰撞传递能量实现的。
在一般热学教材中，有很多从微观角度入手分析传热的例子。
例如，证明两个物体处于热平衡时物体的平均动能相等，这个问题是热学课程的重要教学内容。
再如，在引入能均分定理时，需要定性说明分子间碰撞可以使得分子平动动能、分子转动动能、分子振动动能和势能相互转化。
非对心碰撞使得分子平动动能与分子转动动能相互转化，碰撞产生形变使分子平动动能与分子振动动能和势能相互转化。
能均分定理也是热学课程的重要教学内容。
做功过程也可以从微观角度入手进行分析。
例如，体积功是系统分子在系统边界处与外界碰撞实现的。
如果系统体积膨胀，由于系统边界速度方向朝外，系统分子碰撞外界反弹回来速度变小，系统内能减小，内能转化为外界运动的机械能，系统对外界做功。
如果系统体积压缩，由于系统边界速度方向朝内，分子碰撞外界反弹回来速度变大，系统内能增大，外界运动的机械能转化为系统的内能，外界对系统做功。
又例如，电功是系统中带电粒子在外加电场中加速，电能转化为定向运动的动能，再经过碰撞转化为无规则运动内能的过程。
一般教材很少从微观角度分析做功过程，其实如果能从微观角度入手分析做功过程来解释宏观热力学现象，会有意想不到的简便。
文章第一节和第二节通过从微观角度分析体积功分别解释无摩擦准静态过程是可逆过程的原因和电冰箱的工作原理。
这两个问题都是热学课程中重要的教学内容。
为了凸显从微观入手分析体积功解决问题的简便，第三节从宏观角度入手分析做功过程解释电冰箱的工作原理，以便对从微观角度入手和从宏观角度入手的两种方法进行比较。
文章结语针对一般教材在解释无摩擦准静态过程是可逆过程原因上的缺乏和解释电冰箱工作原理上的不足，根据微观理论和宏观理论的区别和联系，对从微观角度入手分析体积功这一新方法的意义进行系统详细的说明。
［收稿日期］2019-03-09［基金项目］国家自然科学基金项目（11264039）；中央高校基本科研业务费专项资金（2017B18014）；新疆师范大学物理学特色专业；新疆师范大学物理学重点学科；新疆师范大学热学和热力学与统计物理学优秀教学团队；新疆师范大学博士博士后科研启动基金项目（XJNUBS1511）；新疆师范大学本科教学质量工程建设教学研究与改革项目（SDJG2016-8；SDJG2016-10）；新疆高层次人才引进项目等资助。
［作者简介］韩振华（1980-），男，新疆伊宁人，讲师，博士研究生，主要从事天体物理和理论物理研究。
*［通讯作者］马晓栋（1964-），男，山东菏泽人，教授，博士研究生，主要从事统计与凝聚态理论研究。
23新疆师范大学学报（自然科学版）2019年1从微观角度入手分析做功过程解释无摩擦的准静态过程是可逆过程图1一定量的气体经历相同中间状态的膨胀和压缩过程如图1所示，设一定量的气体从状态1膨胀到状态2，再从状态2压缩到状态1，设膨胀过程和压缩过程中间经历了相同的状态，以此为例进行分析解释。
不失一般性，分析膨胀和压缩过程经历的任意一个相同的状态。
先不考虑摩擦力。
在膨胀过程中，气体分子在系统边界与外界碰撞反弹回来速度变小，由于分子之间通过碰撞传递能量需要一个时间过程，分子热运动剧烈程度沿着从边界到系统内部的方向依次增大，边界处的压强小于系统的平均压强。
在压缩过程中，气体分子在系统边界处与外界碰撞反弹回来速度变大，沿边界到系统内部的方向分子热运动剧烈程度依次减小，边界处的压强大于系统的平均压强。
这样，膨胀过程中系统边界处的压强比压缩过程中系统边界处的压强小，膨胀过程中系统对外做的功比压缩过程中外界对系统做的功少，膨胀和压缩过程中做的功不能相互抵消，膨胀和压缩过程不能互为可逆过程。
准静态过程是中间状态都是无限接近平衡的过程，是无限缓慢的理想极限。
在上述膨胀和压缩过程中间经历的同一状态中，无论是膨胀过程还是压缩过程，气体分子在系统边界与外界碰撞反弹回来速度几乎不变，系统内部各处压强均匀一致，膨胀过程和压缩过程中系统边界的压强一样，膨胀过程中系统对外界做的功和压缩过程中外界对系统做的功大小相等，符号相反，正好抵消，膨胀和压缩过程互为可逆过程。
再考虑摩擦力。
无论膨胀过程还是压缩过程，摩擦力总是把机械能转化为内能，如果有摩擦力，在上述膨胀和压缩过程中不能消除摩擦力的影响，膨胀和压缩过程就不能互为可逆过程。
综上所述，可以得到无摩擦的准静态过程是可逆过程的结论。
2从微观角度分析做功过程解释电冰箱的工作原理图2给出电冰箱的示意图。
其中闭合实线表示电冰箱外壳，三角形表示压缩机，两个顶点相接的三角形表示节流器，工作物质通过虚线所示的路径按箭头所示的方向往返于电冰箱内外。
图2电冰箱示意图图3给出压缩机的示意图。
压缩机叶片按箭头所示方向旋转，将工作物质从冰箱内部抽到外部。
从微观角度分析，内部分子碰撞叶片反弹回来速度变小，内部能量减少，而外部分子碰撞叶片反弹回来速度变24韩振华，等：从微观入手分析做功过程解释宏观热力学现象大，外部内能增大，这样热量从内部传递到外部，电冰箱温度降低。
图3压缩机示意图图2所示节流器的作用是让工作物质在电冰箱外面充分散热后再回到电冰箱里面以增大制冷效果。
3从宏观角度入手分析做功过程解释电冰箱的工作原理电冰箱工作物质不停地往返电冰箱内外，这是力学循环，同时工作物质的热力学状态也在周而复始地变化，这就是热力学循环。
图4工作物质的热力学循环如图4所示，热力学循环过程用逆时针闭合曲线近似表示，不闭合的曲线示意工作物质的等温过程。
为了方便讨论，假设工作物质的循环过程是准静态过程，因为只有准静态过程才能用实线表示。
图4中等温线与闭合曲线的交点1大致对应于工作物质在压缩机处的状态，交点2大致对应于工作物质在节流器处的状态。
以等温线为分界线，循环过程上半支大致对应于工作物质在冰箱外部的过程，下半支大致对应于工作物质在冰箱内部的过程。
工作物质沿上半支从状态1到状态2内能不变，因外界做功而放出热量，沿下半支从状态2到状态1，内能也不变，因对外界做功而吸收热量，这样工作物质在冰箱内部放热，在冰箱内部吸热，产生制冷效果。
4结语文章从微观角度入手分析体积功解释了无摩擦准静态过程是可逆过程的原因和电冰箱的工作原理，主要根据系统分子分别与外界和压缩机叶片碰撞后速度大小的变化来确定能量的转化或迁移，非常简明易懂。
无摩擦的准静态过程是可逆过程，这是热力学中的重要结论。
但一般教材［1-5］都没有对这个结论进行详细的解释，文章从微观角度入手对体积功进行了解释。
热机和制冷机是学习热力学第二定律的基础，历史上热力学第二定律在第一次工业革命中研究热机和制冷机而发现的。
电冰箱是制冷机之一，也是日常生活最熟悉的家用电器之一。
如果能简单方便地解释电冰箱工作原理，从理论联系实际的角度考虑，无疑是很有意义的。
比较分别从微观角度和宏观角度入手解释电冰箱工作原理的两种方法，不难看出宏观角度入手的方法相对不容易理解，因为工作物质的循环过程与图4所示的循环过程差距较大，需要一个突出主要矛盾忽略次要矛盾而建立模型的抽象思维过程。
另外，在从宏观角度入手的方法中，还要用到准静态过程这个理想模型，在这一点上与实际也有差距。
反观从微观入手的方法，则不存在上述两个问题，相对从宏观入手的方法2526新疆师范大学学报（自然科学版）2019年更易于理解。
值得一提的是，一般教材从宏观角度入手解释电冰箱工作原理，是以两条等温线和两条绝热线组成的卡诺循环这一简单特例进行的，其解释比较抽象，不够具体详细，这是一般教材的不足之处。
而文章第三节从宏观角度入手解释，考虑了电冰箱的元件和构造，也是一种比一般教材更接近实际的方法，更容易理解。
从微观角度入手分析体积功解释无摩擦的准静态过程是可逆过程的原因和电冰箱的工作原理虽然都是定性的，但两个解释都简明易懂，对初学者了解物理本质规律有一定的促进作用。
从微观入手的方法简明易懂，并非不需要从宏观入手的方法，正好相反要学习热力学第二定律应该主要从宏观角度入手。
热力学理论分为宏观理论热力学和微观理论气体分子动力学两部分，而热力学第二定律是宏观理论热力学的基本原理之一。
宏观理论和微观理论入手角度不同，方法各异，但相辅相成，取长补短，构成一个殊路同归的有机整体，因此从微观角度入手的方法可以作为学习宏观理论的一个有力的补充。
参考文献：［1］赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程（热学）［M］.北京：高等教育出版社，1998：139-141，163-166.［2］黄淑清，聂宜如，申先甲.热学教程［M］.北京：高等教育出版社，2011：32-34，64-65.［3］李椿，章立源，钱尚武.热学［M］.北京：高等教育出版社，2008：107-108，134-135.［4］秦允豪.热学［M］.北京：高等教育出版社，2011：189-191，238-240.［5］刘玉鑫.热学［M］.北京：北京大学出版社，2016：185-187，139-141.Understanding Macroscopic Thermodynamics Phenomena Through a MicroscopicAnalysis of Working ProcessHAN Zhen-hua，MA Xiao-dong*，XIANG Mei，LU Jun-zhe（College of Physics and Electronic Engineering，Xinjiang Normal University，Urumqi，Xinjiang，830054，China）Abstract：The reason why frictionless quasi-static process is a reversible process is not explained in detail in general textbooks，and the explanation of refrigerator principle is also abstract from the macro perspective through the special case of carnot cycle.This paper proposes a method to analyze the volume work from a micro perspective，and fully explains the two problems respectively.The method proposed in this paper is relatively simple，convenient and easy to understand in combination with practice，which is expected to have certain reference value for teaching.Keywords：Compressor；Throttling device；Reversible process。