1、高考资源网（） 您身边的高考专家课时10.5热力学第二定律的微观解释1.了解有序和无序是相对的。2.知道宏观态与微观态,知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的对应关系。3.知道熵的概念,初步了解熵是描述系统无序程度的物理量。了解熵增加原理,知道它是热力学第二定律的另一种表述。4.能用熵增加原理解释生活中的一些现象。重点难点:热力学第二定律的微观解释,熵的概念的建立。教学建议: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方向性。课前要求学生阅读所要学习的内容,并自行完成知识体系梳理,明确对于每一个具体的不可逆过程,人们往往在经验上寻找出一个特定的参量来判断自发过程进行的方向和限度。课堂
2、上引导学生分组讨论,从微观上分析各种具体过程的特点,找出它们的共性。引导学生探究生活中熟悉的概念“序”,引入有序和无序的概念,探寻其本质。为了说明有序和无序的程度,引入“宏观态”与“微观态”的概念。组织学生分析、讨论4个气体分子向真空的扩散所对应的可能微观态,得出结论: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。最后认识与微观态数目对应的物理量熵。导入新课:自然现象,历史人文,大多是不可逆的。现在你可以理解为什么孔夫子在川上有“逝者如斯”之叹了吗?试想,如果分子的运动可以自发地从无序变为有序,会有什么现象发生?这些现象会自然发生吗?为什么?1.有序和无序(1)在生活中遇到的有关事件,
3、只要确定了某种规则,符合这个规则的就是有序的。如果对个体没有确定的要求,我们就说这是无序的。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)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。2.一个非常有用的概念熵(1)在物理学上,为了描述一个系统的无序程度,引入了一个物理量,叫作熵。系统的熵高,表示无序程度大,显得“混乱”和“分散”;系统的熵低,表示无序程度小,显得“有序”“整齐”和“集中”。(2)引入熵之后,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少。这就是用熵的概念表示的热力学第二定律
4、。1.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。解答:任何事物放在一起总是呈现出有序或无序的排列,如:按顺序花色排列的扑克牌,把这些扑克牌随意地洗几下或抛撒开来变得杂乱无章。2.生活中我们常说到有序和无序这两个词,那么究竟什么叫序?举例说明有序和无序。解答:序就是次序,就是从事物的关联中找出的内在规律。例如,玩扑克牌时,扑克牌的排列;体育课上同学列队;等等。3.判断下列说法是否正确。(1)如果一个宏观态对应的微观态比较多,说明该宏观态是比较无序的。(2)熵越大,系统对应的微观态就越少。(3)在任何自然过程中,一个孤立系
5、统的总熵不会增加。(4)自发的宏观过程总是向无序性增大的方向发展。解答:(1) 一个宏观态对应的微观态比较多,说明对该宏观态要求得少,其分布是比较无序的,故(1)对。(2)熵越大,系统对应的微观态就越多,因为熵是系统无序性的量度,故(2)错。(3)由熵增加原理可得:一个孤立系统的总熵不会减小,故(3)错。(4)根据熵增加原理,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,即自发的宏观过程总是向无序性增大的方向发展,故(4)对。主题1:有序与无序、宏观态与微观态问题:阅读课本相关内容,回答下列问题。(1)如图所示,一个箱子被挡板分为左右两室,左室有4个气体分子,右室为真空,撤去挡板后,气体自由扩
6、散,以箱子内4个分子为模型,说明具有哪些可能的宏观态和微观态,并用热力学第二定律说明,气体扩散后4个分子分布的最大一种可能和最小一种可能的情形。(2)试着从无序的角度谈谈上面问题中出现最大可能的那种情形的原因。能否由此得出热力学第二定律的微观意义?解答:(1)宏观态如:左0右4,左1右3,左2右2,左3右1,左4右0;对应微观态数目:1、4、6、4、1。不同的宏观态包含着不同数量的微观态,其中分子分布的最大一种可能的情况是左2右2,最小一种可能的情况是左0右4或左4右0。(2)从无序的角度看,热力学系统是由大量做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,在撤去挡
7、板的瞬间,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。我们看到“左2右2”这种均匀分布的可能性最大,而分子集中在一个室中,另一个室变成真空的可能性最小。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。因此,气体的自由扩散过程是沿着无序增大的方向进行的。综上可知, 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的,这就是热力学第二定律的微观意义。知识链接:无序意味着各处都一样、平均、没有差别;而有序则相反。要特别注意有序和无序是相对的
8、。主题2:熵问题:阅读课本“熵”标题下面的内容,回答下列问题。(1)熵值越大代表越有序还是越无序?什么是熵增加原理?(2)怎样理解一个孤立的系统熵不会减小?解答:(1)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性更大的方向发展。因此,热力学第二定律又叫作熵增加原理。(2)从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律,自发的宏观过程总是向无序性更大的方向发展,而熵较大代表着较为无序,所以一个孤立系统总是从熵
9、小的状态向熵大的状态发展。知识链接:系统自发变化时,总是向着无序程度增大的方向发展,至少无序程度不会减少。从熵的意义上说,系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展,不会使熵减少。1.(考查对有序和无序的认识)下列说法正确的是()。A.有序与无序是相对的B.对任何一件事物,如果规定得越多,限制得越多,它的无序性就越大C.有序性越大,说明它对应的微观态数目就越多D.有序性越大,说明它对应的微观态数目就越少【答案】AD【点评】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大小一样。系统越混乱,无序程度越大,就称这个系统的熵越大。2.(考查熵的概念)下列关于熵的观点中正确的是()。A.熵越
10、大,系统的无序程度越大B.对于一个不可逆绝热过程,其熵不会减小C.气体向真空中扩散时,熵值减少D.自然过程中熵总是增加,是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多【答案】ABD【点评】熵是反映系统无序程度的物理量,熵越大,无序程度越大,一个孤立系统的熵永远不会减小。3.(考查热力学第二定律)下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是()。A.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行C.有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行,有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行D.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵会减小【解析】从
11、热力学第二定律的微观本质看,一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行,B、C错;热力学第二定律是一个统计规律,A对;任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行,也就是熵增加的方向进行,故D错。【答案】A【点评】热传递过程是大量分子由无序程度小转化为无序程度大的过程,体现了自然过程的方向性。4.(考查热力学第二定律的应用)在相对封闭的空间环境中(如冰箱内的空间、公共卫生间等),常会充满异味,能否发明一种简单除味装置,消除这种环境中的异味,且不引起其他的变化,请说明判断理由。【解析】不能。异味的产生是由带有异味的气体分子在空气中扩散造成的,根据热力学第二定律,这种大量分子参与的宏
12、观过程是具有方向性的,要逆着这个方向进行,就必然引起其他的变化,即在不引起其他变化的前提下,是不可能让这些带有异味的气体分子重新聚集在一起从而消除异味的。【答案】不能原因见解析【点评】自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性。拓展一:对序、宏观态和微观态的理解1.以一副扑克牌为例,下列关于有序和无序、宏观态和微观态的认识中不正确的是()。A.按黑桃、红桃、草花、方块的顺序,而且从大到小将扑克牌排列起来,扑克牌这时是有序的B.将扑克牌按偶数和奇数分成两部分,扑克牌是无序的,每部分内部是有序的C.一副扑克牌,这就是一个宏观态,将牌洗动一次就是一个微观态D.一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分
13、,这是一个宏观态,它是一副扑克牌对应的一个微观态【分析】正确理解有序和无序以及宏观态和微观态是判断的前提。【解析】A中扑克牌的排列是有确定规则的,是有序的,A正确。B中将扑克牌按奇、偶分成两部分,是有确定规律的,是有序的,每部分内部排列是没有规则的,是无序的,B不正确。一副扑克牌是一个系统,是一个宏观态,洗动一次,系统内部排列不同,是这副扑克牌宏观态对应的一个微观态,C正确。将一副扑克牌分成奇、偶两部分,构成一个系统,是一个宏观态,同时,它又是一副扑克的一种排列形式,是一副扑克牌这一宏观态对应的一个微观态,D正确。【答案】B【点拨】宏观态与微观态不是绝对的,宏观态的有序性越高,其对应的微观态越
14、少。反之,宏观态的有序性越小,其对应的微观态就越多。气体向真空中扩散表现出的是一种统计规律,在分析处理这类问题时,应充分利用统计的方法和思想来解决。拓展二:熵、熵增加原理2.如图所示,质量、温度相同的水,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?【分析】固体分子间距较小,分子间相互作用较强;液体分子间距也较小,分子间相互作用较弱;气体分子间距较大,气体分子间几乎没有相互作用。由于以上微观特点,它们宏观表现为固体凝聚有形,液体凝聚无形,气体则完全由容器决定。【解析】根据大量分子热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发展,至少无序程度不会减小。这也就是说,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,温度相同的水,可以由固态自发地向液态、气态转化,所以,气态时的熵最大,其次是液态,固态时的熵最小。【答案】气态时的熵最大,其次是液态,固态时的熵最小原因见解析【点拨】“熵”表示了宏观态所对应的微观态数目的多少,标志着这个宏观态的无序程度。“熵”越高,就意味着系统越无序;“熵”越低,就意味着系统越有序,一切自发过程总是沿着分子热运动无序程度增大的方向进行。热力学第二定律的微观解释- 5 - 版权所有高考资源网
