1、热力学第二定律的微观解释江苏省清浦中学何莹莹 教学目标 （一）知识与技能 1了解序的概念，区分有序和无序。 2知道宏观态与微观态，知道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体会现实生活中的熵增加原理。 （二） 过程与方法 1学会通过现象总结规律的科学方法 2知道熵的概念，知道任何自然过程中一个孤立系统的总熵不会减少 （三）情感、态度与价值观 培养分析、归纳、综合能力。 教学重点 热力学第二定律的微观意义。 教学难点熵的概念的建立 教学方法 小组讨论，理论联系实际，演绎和归纳教学过程 教学
2、内容教师活动学生活动预期目标引入前面我们学习了热力学第二定律，知道了任何宏观自发过程的进行都具有方向性。请同学们列举生活中自发过程的例子。思考，举例。提出问题，引发思考，与生活联系起来。展示鸡蛋破碎、牛奶溢出、气体飞出等图片。（讲述）物理学或广义上的科学都是以规律为基础，科学家们研究自然，总结规律，并用自然定律去解释这些规律，构建这样一条规律的最笨的方法就是引进鸡蛋破碎定律或牛奶溢出定律，但是这样的规律对我们毫无用处，它只是描述性的，只是简单的告诉我们观测到了什么，而没有提供任何解释，我们期望物理学最深奥的领域能有一个定律，给我们观测到的不可逆过程一个基本解释。介绍玻尔兹曼观测、思考。加强对物
3、理规律的识。了解物理学家的贡献。概率（提问）一副扑克牌按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，并从小到大排列，洗牌之后会不会还是按照这个顺序排列？（总结）扑克牌按一定的规则排列只有一种排列方式，无规则的排列方式有很多种，洗牌后每种排列的方式的概率都是一样的，而仍按一定的规则排列的概率很小。思考、讨论、交流（生）不会。因为乱了就不会再按顺序排列了。（生）可能会。概率小而已。从生活中的例子理解概率的概念。序（问）生活中我们常说到有序和无序，那么什么叫序？举例说明有序和无序。思考、作答。（生）序就是按一定的规则排列。（生）玩扑克牌。（生）列队。建立概念将认识从抽象到具体。宏观态和微观态（讲）如果规定一副扑克
4、牌的花色顺序与号码顺序，借用统计物理学的术语来说，我们就是规定了一个“宏观态”。每张扑克牌的排列位置只有一种，我们就说此时的微观态唯一。如果我们规定花色的先后顺序，而号码顺序任意，我们就是规定了另一个“宏观态”。此时每张扑克牌的排列位置就会有多种，我们就说此时“微观态”的数目比较多。如果拿到一副扑克牌，我们对花色顺序以及号码顺序不做任何规定，那么与这个“宏观态”相对应，每张扑克牌的排列位置就更多了，我们就说此时“微观态”的数目更多。思考、建立概念。将认识上升到理论。序与微观态（提问）从刚才的分析讨论中你能不能建立序和微观态之间的关系？（总结）“有序”和“无序”是相对的，是从序的程度上来说的。如
5、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。推理、分析、作答。（生）“有序”表明对于一个确定的宏观态对应于较少的“微观态”。而“无序”表明对于一个确定的宏观态对应于较多的“微观态”。（生）“序”与“微观态”数目相对应。微观态数目越多，说明事物越无序。建立概念间的联系，提升认识。气体向真空的扩散（讲）现在我们以气体向真空扩散为例，探讨与热现象有关的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。撤去挡板后气体要由左向右扩散。我们将从分子热运动的角度分析这个过程的方向性。为了简单，假定气体只由个分子组成。请同学们分析挡板撤去后分子位置分布的宏
6、观态和对应的微观态。（讲述）撤去挡板后，从微观的角度来说，由于分子的热运动，种微观态出现的概率是一样，那么宏观上观察到的现象是什么呢？从表中看出，“左右”这种宏观上看来均匀分布的情况，所对应的微观态的个数最多，“左右”“左右”这种极端不均匀的宏观态所对应的微观态的个数很少。撤去挡板后，由于各个微观态出现的概率是一样的，从宏观上看，我们看到“左右”这种均匀分布的的可能性更大，而分子重新集中在一个室中，另一个变成真空的可能性最小。“左右”这种状态对应着个微观态，而一侧有个分子另一侧为真空的状态只对应着个微观态。按照我们的前面的说法，“左右”是一种更为无序的状态，即无序指一种“平均”“各处都一样”“
7、没有差别”。（分析容器中有个分子、一百个分子，一千个分子，一万个分子的情况）。（总结）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。演绎、应用（生）撤去挡板后气体分子的位置有种“宏观态”，分为“左右”对应的微观态个数为个，“左右”，对应的微观态个数为个，“左右”对应的微观态个数为个，“左右”对应的微观态个数为个，“左右”对应的微观态个数为个。分析、归纳、总结实际气体系统中的分子数大的惊人，两室中分子数密度相同和大致相同的可能性比两室分子数相差很多的可能性大的多，因此，撤去挡板后，实际上我们只能观察到气体向真空扩散，而不可能观察到气体分子重新聚集在一室的现象。巩
8、固应用。将理论知识具体化。熵和熵增加原理（讲述）为了描述分子热运动的无序程度，物理学中引入物理量“熵”，玻尔兹曼用统计物理学将“熵”与“微观态”数目联系起来。“熵”就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。（讲述）在“气体向真空的扩散”中，微观态数目增多了，即系统“熵”增加了。而且，一切不可逆过程必然朝着熵不断增加的方向进行，这就是熵增加原理。分析、归纳、总结。分析、归纳、总结。建立概念。经过再次提炼，得出新的理论知识。生活中的熵增加现象（讲述）“熵”这个词现在已经超出了物理学的范畴，深入到信息科学，生命科
9、学和社会科学中。在这些场合中，有些用法是熵的本来意义的延伸，有些只是用做“无序程度”的代名词，描述过程的发展方向。（提问）结合生活中的事例，说明自然界中的熵增加。（生）一个玻璃杯摔碎后，玻璃碴散落一地，无序性增加，我们就说熵增加。（生）将一滴红墨水滴到一杯清水中，红墨水分子迅速扩散，直至均匀，无序性增加了，我们就说熵增加。学以致用。教学总结本节课从认识“序”出发，区别有序和无序，引入描述系统无序程度的物理量熵，认识熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述，体会了现实生活中的熵增加。现代生活与科学真是密不可分！释疑、收获、享受学习的快乐。提高学生的科学素养。教学反思本节课从统计学的角度分析与热现象有关的宏观过程的方向性，统计物理学对于学生来说还是比较陌生的，所以应从生活中的事例入手，让学生理解概率的概念。
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