高中物理 第5章 热力学定律 5.4 熵-无序程度的量变教案1 鲁科版选修3-3-鲁科版高二选修3-3物理教案VIP专享VIP免费

5.4熵-无序程度的量变庖丁巧解牛知识·巧学一、有序和无序、宏观态和微观态1.有序和无序确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序的.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、草花、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.误区警示无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相反.要特别注意有序和无序是相对的.一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、草花、方块的顺序排列，但对号码的大小不作要求，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.2.宏观态和微观态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微观态.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.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.下面我们用图10-5-1所示的情况为例来进一步加以说明.假设容器中体积相等的A、B两室内具有a、b、c、d一共4个相同的分子，它们在A、B两室内分布情况共有14种方式.图10-5-1如(2,2)表示一个宏观态(即A、B两室内各有2个分子但不区分具体分子)，而（ab，cd）表示一个微观态（a和b分子在A室内，c和d分子在B室内）.可看出，不同的宏观态包含着不同数量的微观态，其中A、B两室各有2个分子的宏观态包含的微观态数目最多是6个，而以4个分子全部分布在A室或全部分布在B室的宏观态所包含的微观态数目最少（都是1个）.二、气体向真空的扩散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A、B、C、D共4个分子组成.撤去挡板后每个分子都可以处于箱中任何位置，就像队列解散后的学生一样，如果细致地区分哪个分子在哪侧，这样的一个一个的状态就是不同的微观态.例如：“A、B在左室，C、D在右室”与“A、C在左室，B、D在右室”就是两个不同的微观态.当然“A在左室，B、C、D在右室”也是与前两个不同的微观态.但是，宏观的观察并不能区分图10-5-2甲和乙的两个微观态，我们只能说两种情况下左右两室中分子的数密度是一样的，因此，我们说，图甲和图乙属于同一个宏观态；而图丙和图丁，尽管从微观上看具体分子的位置并不一样，是不同的微观态，它们也属于同一个宏观态，都是“左1右3”.图10-5-2深化升华规定了某种规则，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。三、热力学第二定律的微观解释和熵1.热力学第二定律的微观解释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.学法一得我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的那样的宏观态，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.2.熵（1）熵的概念物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母表示熵，有：S=klnΩ.式中k叫做玻耳兹曼常数熵是热力学中的一个重要状态函数（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，常用S表示.熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度.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.深化升华既然微观态的数目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.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...