1、热力学第二定律的微观解释 教案【教学目标】一 知识与技能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。4.知道随着条件的变化，熵是变化的。二 过程与方法 1学会通过现象总结规律的科学方法。 2知道自然界任何一个孤立的系统的熵不会减少。三 情感态度和价值观 培养分析 归纳 综合的能力【教学重点】热力学第二定律的微观解释【教学难点】熵的概念【教学过程】复习引入问题1:往清水中加入一滴墨水，墨汁会不断扩散，直到在整杯水中分布均匀为止。有没有这种可能，散布在水里的小碳粒会自发聚集成一滴墨水，剩余的部分则变回清水呢？生：不
2、会问题2:我们常说“覆水难收”，这是为什么？学生不知如何回答。师：生活中有很多这样的自然现象，他们的发生具有特定的方向，只能朝一个方向自发进行，逆过程则不行，这是什么原因呢？（停顿）这是本节课研究的课题。一、讲授新课（一）有序和无序师：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。生1：序就是次序。例如上体育课排队，按从低到高的顺序排列。是有序，解散了变得无序了。 生2：图书馆图书众多,会先按学科分类,同学科的书籍又按首字母先后顺序排列，很有序，学生还书的时候没有规律，是无序。 ppt展示生活中的有序和无序实例。ppt展示1. 有序：只要确定了某种规则，符合这个规则
3、的就叫做有序。2. 无序： 不符合某种确定规则的称为无序。 3.无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。对比1 对比2 4.有序和无序是相对的。（二） 宏观态和微观态ppt展示师：当我们规定了不同的规则或者序,系统就有了不同的宏观态.平常我们听讲座需要按座位做好,我们可以一排排坐好,也可以排成环形,还可以分成两组对立而坐,方便及时讨论,这样大家这个整体就呈现出不同的状态,借用物理统计学上的话说,就是规定了一个个“宏观态”，以一排排坐这种状态为例，如果我们将这两个同学的位置互换一下，具体的排列形式虽然变了，但是整体的排布却没有变，这就是宏观态对应下的“微观态”。（PPT展示）1.宏观态
4、：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。2.微观态：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。 师： 以我们班听课的座位排列为例。现在我们八小组，分组按大家的学号来分，也就是一至八号为第一小组，九到十八为第二小组，同时每一小组的同学要按身高来坐，这样我们就规定了系统的一个宏观态，此时每位同学的排列位置只有一种，我们就说此时的微观态唯一。如果分组仍按大家的学号来，而身高排列不做要求，我们就又规定了另一个“宏观态”。此时对应的微观态数目还是一种吗？生：很多种。师：如果分组不做要求，而身高排列同样不做要求，这样的微观态是不是更
5、多？ 生：是的！师：系统的宏观态所对应的微观态越多的，宏观态是越有序还使无序？生：无序。（PPT展示）3.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。【实例探究】一箱子被挡板分成左右两室，4个气体分子都在左室，撤去挡板后气体将在整个容器内无规则运动。分析挡板撤去后，4个分子在容器中可能的分布情形。DACB每一种情形出现的概率各是多少？ 微观态共有24=16种可能的方式，而且4个分子全部退回到左室的可能性即几率为1/24=1/16。一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，而N个分子全部退回到左部的几率1/2N。对于真实理想气体系统N1023/mol，这些分子全部退回到A部的几
6、率为 。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。 对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部的过程原则上是可逆的。对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。生：宏观态不是等几率的。宏观态左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4微观态数目14641出现概率1/164/166/164/161/16师：在一定的宏观条件下，我们能观察到的是哪种宏观态？生：均匀分布这种宏观态，相应的微观态多，热力学几率大，实际观测到的可能性或几率大。（三） 热力学第二定律的微观意义：1、 内容：一切自
7、发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。2、 理解： 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。热力学第二定律的适用范围1） 适用于宏观过程，对微观过程不适用。2） 适用于孤立系统。重新让学生回答前面的两个问题的原因。问题1:往清水中加入一滴墨水，墨汁会不断扩散，直到在整杯水中分布均匀为止。有没有这种可能，散布在水里的小碳粒会自发聚集成一滴墨水，剩余的部分则变回清水呢？问题2:我们常说“覆水难收”，这是为什么？（四） 熵师：如何定量描述宏观态的无序性？1、1877年，玻耳兹曼引入熵，表示系统无序性的大小： 1900年，普朗克引入系数 k ，玻耳兹曼常数2
8、、熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵是不会减少的。（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，一个孤立系统在自发过程中总是向熵增加的方向发展，而熵值较大代表着较为无序。3、熵和社会 熵是描述系统状态向无序变化的量度，也可引申为“有效作用减少量或无效作用增加量”。事物从有序向无序变化则熵增加，可称之为正熵；事物从无序向有序变化则熵减少，可称之为负
9、熵。 随着熵概念的泛化，熵已被很多学科所采用，并出现了许多术语，如信熵、基因熵、环境熵等。其中也包括自然熵与社会熵的概念。所谓自然熵就是自然界这个系统的运行状态无效性的增加量。自然熵也可称之为自然正熵，相对的则是自然负熵。 社会熵就是人类社会这个系统的运行状态无效性的增加量（我们讲的社会分别指广义上的整体人类社会，和狭义上的以一个国家为单位的社会，因此暂称为广义社会熵和狭义社会熵）。 广义社会熵也可称之为广义社会正熵，相对的则是广义社会负熵。狭义社会熵也可称之为狭义社会正熵，相对的则是狭义社会负熵。 无论是自然环境系统还是人类社会系统，如果要维持发展就必须长期稳定的保持负熵正熵,否则就会逐步走
10、向无序，最终导致系统彻底崩溃。自然界是人类和野生动物赖以生存的家园，地球的历史告诉我们：在人类社会出现以前，自然正熵与自然负熵是可以维持平衡的，而人类社会出现以后，自然正熵在增加，这是无可争议的事实，不得不引起人类社会的思考。 【巩固练习】例1:关于有序和无序下列说法正确的是（ ABD ）A有序和无序不是绝对的 B一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”C一个“宏观态”对应着唯一的“微观态”D无序意味着各处一样、平均、没有差别例2:下面关于熵的说法错误的是（ B ）A熵是物体内分子运动无序程度的量度B在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行C热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原理D机械能转化为内能的过程是系统的熵增加的过程例3:从微观角度看（ ABE ） A热力学第二定律是一个统计规律B一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展C一个宏观状态所对应的微观状态越少，越是无序，熵值越大D出现概率越大的宏观状态，熵值越小E与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加的过程F气体扩散现象向着无序性增加的方向进行,是可逆过程