第十章热力学定律第5、6节热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展

1、第十章第十章 热力学定律热力学定律 第第5 5节节 热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释 第第6 6节节 能源和可持续发展能源和可持续发展学习目标学习目标1.1.了解有序和无序了解有序和无序, ,知道有序和无序是相对的知道有序和无序是相对的; ;了解宏观态与微观态了解宏观态与微观态, ,知道宏观态对应的微观态的知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的关系；数目与无序程度的关系；2.2.知道熵的概念知道熵的概念, ,知道熵是描述系统无序程度知道熵是描述系统无序程度的物理量的物理量, ,了解熵增加原理了解熵增加原理, ,知道它是热力学第二知道它是热力学第二定律的另一种表述定律的另一种表

2、述, ,能用熵增加原理解释生活中的能用熵增加原理解释生活中的一些现象；一些现象；3.3.了解什么是能量耗散和品质降低了解什么是能量耗散和品质降低, ,能利用熵能利用熵增加原理认识自然界中能量转化的方向性增加原理认识自然界中能量转化的方向性, ,能从熵能从熵增加的角度认识当前环境问题增加的角度认识当前环境问题, ,增强环保和可持续增强环保和可持续发展意识。发展意识。复习回顾复习回顾一、热传导的方向性一、热传导的方向性非自发传热非自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体完全完全功功不完全不完全热热二、热力学第二定律二、热力学第二定律克劳修斯表述克劳修斯表述: :热量不能自发地从低温

3、物体传热量不能自发地从低温物体传到高温物体。到高温物体。开尔文表述开尔文表述: :不可能从单一热库吸收热量不可能从单一热库吸收热量, ,使使之完全变成功之完全变成功, ,而不产生其他影响。而不产生其他影响。复习回顾复习回顾三、热机和第二类永动机三、热机和第二类永动机1.1.热机：热机：把内能转化为机械能的一种装置把内能转化为机械能的一种装置(1)(1)热机工作原理热机工作原理: :工作物质从热源吸收热量工作物质从热源吸收热量Q1, ,推动活塞做功推动活塞做功W, ,然后排出废气然后排出废气, ,同时把热量同时把热量Q2散发到冷凝器中。散发到冷凝器中。根据能量守恒有：根据能量守恒有：Q1=W+Q

4、2(2)(2)热机的效率热机的效率: : 1QW复习回顾复习回顾2.2.第二类永动机第二类永动机: :只从单一热库吸收热量只从单一热库吸收热量,并并使之完全变成有用功而不产生其他影响的热机。使之完全变成有用功而不产生其他影响的热机。(1)(1)第二类永动机不可制成的原因第二类永动机不可制成的原因:违背了热违背了热力学第二定律。力学第二定律。(2)(2)热力学第二定律还可表述为热力学第二定律还可表述为:第二类永动第二类永动机不可能制成。机不可能制成。热力学第三定律：热力学第三定律：热力学零度（绝对零度）热力学零度（绝对零度）不可能达到。不可能达到。引入新课引入新课下图是威武的解放军在阅兵式上整齐

5、地行进下图是威武的解放军在阅兵式上整齐地行进和春运中杂乱无章的拥挤人群。哪个是有序的和春运中杂乱无章的拥挤人群。哪个是有序的, ,哪哪个是无序的个是无序的? ?自发的过程是从有序向着无序发展还自发的过程是从有序向着无序发展还是从无序向着有序发展是从无序向着有序发展? ?新课展开新课展开一、热力学第二定律的微观解释一、热力学第二定律的微观解释1.1.有序和无序有序和无序(1)(1)概念概念: :一个系统的个体按确定的某种规则一个系统的个体按确定的某种规则有顺序地排列即为有序有顺序地排列即为有序; ;如果对个体的分布没有确如果对个体的分布没有确定的要求定的要求,“,“怎样分布都可以怎样分布都可以”

6、即为无序。即为无序。简单的来说：简单的来说：只要确定了某种规则，符合这只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序，不符合这个规则的称为无个规则的就叫做有序，不符合这个规则的称为无序。序。(2)(2)特点特点: :有序和无序是相对的有序和无序是相对的, ,即存在一个有即存在一个有序程度的问题。序程度的问题。（扑克牌排序问题、排队问题）（扑克牌排序问题、排队问题）新课展开新课展开2.2.宏观态和微观态宏观态和微观态(1)(1)概念概念: :在统计物理学中在统计物理学中, ,规定了某种规则规定了某种规则, ,我们就规定了一个我们就规定了一个“宏观态宏观态”,”,这个这个“宏观态宏观态”可可能包含一

7、种或几种能包含一种或几种“微观态微观态”,”,不同的不同的“宏观态宏观态”对应的对应的“微观态微观态”的个数不同。的个数不同。宏观态：宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。热力学系统的宏观态。微观态：微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、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。规则的状态叫做这个宏观态的微观态。新课展开新课展开(2)(2)特点特点: :系统的宏观态所对应的微观态的多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。少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个如果一个“宏宏观态观态”对应的对应的“微观态

8、微观态”比较多比较多, ,那么这个那么这个“宏观宏观态态”是比较无序的，是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方同时也决定了宏观过程的方向性向性从有序到无序。从有序到无序。3.3.不可逆过程的统计性质不可逆过程的统计性质（气体自由膨胀）（气体自由膨胀）一个被挡板分为一个被挡板分为A、B两部分相等的容器，两部分相等的容器，A中有气体，中有气体，B中为真空。中为真空。AB新课展开新课展开为了简化过程，假定为了简化过程，假定A中的气体只由中的气体只由4 4个分子个分子（标记为不同颜色）（标记为不同颜色）组成。组成。撤去挡板后每个分子都可以处在容器的任何撤去挡板后每个分子都可以处在容器的任何位置。如果细

9、致的区分哪个分子在哪侧，那么每位置。如果细致的区分哪个分子在哪侧，那么每一个状态就是不同的微观态。一个状态就是不同的微观态。思考：思考：撤去挡板后，撤去挡板后，4分子在容器中可能的分分子在容器中可能的分布情形有哪些？布情形有哪些？新课展开新课展开宏观分布宏观分布微观状态微观状态微观态数微观态数14461新课展开新课展开微观态共有微观态共有24=16种可能的方式，而且种可能的方式，而且4个分个分子全部退回到子全部退回到A部的可能性即几率为部的可能性即几率为1/24=1/16。一般来说，若有一般来说，若有N个分子，则共有个分子，则共有2N 种可能种可能方式，而方式，而N个分子全部退回到个分子全部退

10、回到A部的几率部的几率1/2N. .对于对于真实理想气体系统真实理想气体系统N 1023/mol，这些分子，这些分子全部退回全部退回到到A部的几率为部的几率为 。此数值极小，意味着此事。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。件永远不会发生。对单个分子或少量分子来说，它们扩散到对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部部的过程原则上是可逆的。的过程原则上是可逆的。对大量分子组成的宏观系统来说，它们向对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是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。宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。

11、23102/1新课展开新课展开4.4.第二定律的统计表述第二定律的统计表述（依然看前例）（依然看前例）左边一列的各种分布仅指出左边一列的各种分布仅指出A、B两边各有几个分子，两边各有几个分子，代表的是系统可能的宏观态。中间各列是详细的分布，具代表的是系统可能的宏观态。中间各列是详细的分布，具体指明了这个或那个分子各处于体指明了这个或那个分子各处于A或或B那一边，代表的是那一边，代表的是系统的任意一个微观态。系统的任意一个微观态。 4 4个分子在容器中的分个分子在容器中的分布对应布对应5 5种宏观态。种宏观态。一种宏一种宏观态对应若干种微观态。观态对应若干种微观态。不同的宏观态对应的微观不同的宏

12、观态对应的微观态数不同。态数不同。均匀分布对应均匀分布对应的微观态数最多。的微观态数最多。全部退全部退回回A边仅对应一种微观态。边仅对应一种微观态。新课展开新课展开统计物理基本假定统计物理基本假定等几率原理：等几率原理：对于孤立系，对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。各种宏观态不是等几率的。各种宏观态不是等几率的。哪种宏观态包含的微观哪种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。态数多，这种宏观态出现的可能性就大。5.5.热力学第二定律的微观意义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一切自发过程总是沿

13、着分子热运动的无序性增大的方向进行。增大的方向进行。对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，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，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。我们认为它处于无序的状态。新课展开新课展开不可逆过程的本质：不可逆过程的本质：系统从热力学概率小的状态向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。热力学概率大的状态进行的过程。自发过程的规律：自发过程的规律：概率小的状态概率小的状态（有序）（有序）概率大概率大的状态的状态（无序）（无序）热力学几率：热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为热与同

14、一宏观态相应的微观态数称为热力学几率，记为力学几率，记为。在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。对于对于1023个分子组成的宏观系统来说，个分子组成的宏观系统来说，均匀分布这均匀分布这种宏观态种宏观态的的热力学几率热力学几率与与各种可能的宏观态各种可能的宏观态的的热力学几率热力学几率的总和的总和相比，此比值几乎或实际上为相比，此比值几乎或实际上为100%。实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最后所

15、达到的平衡态后所达到的平衡态一定宏观条件下一定宏观条件下 最大的状态。最大的状态。新课展开新课展开6.6.熵及熵增加原理熵及熵增加原理“熵熵”是什么？是什么？“熵熵”是德国物理学家克劳修斯是德国物理学家克劳修斯在在18501850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。简单的说，简单的说

16、，“熵熵”就是微观粒子的无序程度、能就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。量差别的消除程度。(1)(1)熵熵: :物理意义物理意义: :用来量度系统无序程度的物理量叫用来量度系统无序程度的物理量叫作熵。作熵。新课展开新课展开在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的。从有序到无序发展的。 比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。对于一个封闭的系统，能量差也总是倾变

17、得更加无序了。对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。平为止。克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即即“熵将随着时间而增大熵将随着时间而增大”。新

18、课展开新课展开熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由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是分子热运动无序( (混乱混乱) )程度的定量量度。程度的定量量度。表达式表达式: :S=kln, ,其中其中k表示玻尔兹曼常数表示玻尔兹曼常数, , 表示一个宏观态所对应的微观态的数目表示一个宏观态所对应的微观态的数目, ,S表示熵。表示熵。 一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化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。的。在自然过程中，系统的熵是增加的。(2)(2)熵增

19、加原理熵增加原理: :在任何自然过程中在任何自然过程中, ,一个孤立一个孤立系统的总熵不会减小系统的总熵不会减小（这就是用熵的概念表示的（这就是用熵的概念表示的热力学第二定律）热力学第二定律）对于其它情况，系统的熵可能对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。增加，也可能减小。新课展开新课展开新课展开新课展开可爱的熵可爱的熵新课展开新课展开有效能量告罄时，是有效能量告罄时，是“热寂热寂”死寂的热死寂的热平衡状态。有效物质耗尽时，是一片平衡状态。有效物质耗尽时，是一片“物质混物质混乱乱”整个宇宙的大混乱和大混沌。古罗马诗整个宇宙的大混乱和大混沌。古罗马诗人贺拉斯说：人贺拉斯说：“时间磨灭了世界

20、的价值！时间磨灭了世界的价值！”可谓可谓一语道破了熵定律的真谛。物理学家们认为，熵一语道破了熵定律的真谛。物理学家们认为，熵定律是物质世界的最终定律，人类参与的每一项定律是物质世界的最终定律，人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一、第二定律的严密制物质活动都受到热力学第一、第二定律的严密制约；但是，他们又认为熵定律只涉及物质世界，约；但是，他们又认为熵定律只涉及物质世界，只控制时空的横向世界，人类的精神世界并不受只控制时空的横向世界，人类的精神世界并不受熵定律的专制统治！所以，生命的现象是宇宙洪熵定律的专制统治！所以，生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流！人类精神的无限发展，是不可流中的一股逆流

21、！人类精神的无限发展，是不可抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟！抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟！【例题【例题1 1】关于热力学第二定律的微观意义关于热力学第二定律的微观意义,下列说下列说法中正确的是法中正确的是( () )A.大量分子无规则的热运动能够自动转变为大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动有序运动B.传热的自发过程是大量分子从无序运动状传热的自发过程是大量分子从无序运动状态向有序运动状态转化的过程态向有序运动状态转化的过程C.传热的自发过程是大量分子从无序程度小传热的自发过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程D.一切自发过程总是沿着分子热运动的无序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性增大的方向进行课堂练习课堂练习CD新课展开新课展开新课展开新课展开二、能源和可持续发展二、能源和可持续发展1.1.能量耗散和品质降低能量耗散和品质降低(1)(1)能量耗散能量耗散: :有序度较高有序度较高( (集中度较高集中度较高) )的能的能量转化为内能量转化为内能, ,流散到环境中无法重新收集起来加流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。以利用的现象。(2)(2)各种形式的能量向内能的转化各种形式的能量向内能的转化, ,是无序程是无序程度较小的状态向无序程度