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2019-2020年高中物理 10.5《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》學(xué)案 新人教版選修3-3 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 知識(shí)與技能： 1、知道有序和無序，宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念 2、知道熵的概念，知道熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量。知道任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少 3、了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。知道隨著條件的變化，熵是變化的。 過程與方法： 1、 學(xué)會(huì)通過現(xiàn)象總結(jié)規(guī)律的科學(xué)方法 2、 知道熵的概念，知道任何自然過程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少 情感態(tài)度和價(jià)值觀： 培養(yǎng)分析、歸納、綜合能力 重點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 難點(diǎn)：熵的概念 知識(shí)鏈接： 1、熱力學(xué)第一定律 2、熱力學(xué)第二定律的第一種表述： 3、熱力學(xué)第二定律的第二種表述： 學(xué)習(xí)過程： 1、 舉例說明什么是有序和無序。 無序意味著各處都一樣，平均、沒有差別，有序則相反。有序和無序是相對(duì)的。 2、 簡(jiǎn)述什么是宏觀態(tài)和微觀態(tài)。 系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無序程度的大小。如果一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時(shí)也決定了宏觀過程的方向性——從有序到無序。 3、什么樣的宏觀態(tài)是比較無序的？ 4、閱讀教材p64總結(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀意義 5、寫出熵與微觀態(tài)數(shù)目的定量關(guān)系 6、寫出熵增加原理 熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)無序(混亂)程度的定量量度。 一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的。在自然過程中，系統(tǒng)的熵是增加的。 在絕熱過程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵增加原理。對(duì)于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。 從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。 例1 一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？ 解析：因?yàn)槲矬w由于受到摩擦力而停止運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，使得無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，所以系統(tǒng)的熵增加。 課堂小結(jié)： 針對(duì)訓(xùn)練： 1、 課后練習(xí)1： （1） （2） （3） (4) 2、課后練習(xí)2： 課后閱讀： 1.熵與熵增加原理 “熵”是什么？“熵”是德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1850年創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語，他用熵來表示任何一種能量在空間分布的均勻程度。能量分布得越均勻，熵就越大。如果對(duì)于我們所考慮的那個(gè)系統(tǒng)來說，能量完全均勻地分布，那么這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值。簡(jiǎn)單的說，“熵”就是微觀粒子的無序程度、能量差別的消除程度。 在克勞修斯看來，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)總是從有序到無序發(fā)展的。比如，把一塊冰糖放入水中，結(jié)果整杯水都甜了。這就是說，糖分子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展到了整杯水中，它們的運(yùn)動(dòng)變得更加無序了。對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)，能量差也總是傾向于消除的。比如，有水位差的兩個(gè)水庫，如果把它們連接起來，那么，重力就會(huì)使一個(gè)水庫的水面降低，而使另一個(gè)水庫的水面升高，直到兩個(gè)水庫的水面均等，勢(shì)能取平為止。 克勞修斯總結(jié)說，自然界中的一個(gè)普遍規(guī)律是：運(yùn)動(dòng)總是從有序到無序，能量的差異總是傾向變成均等，也即“熵將隨著時(shí)間而增大”。 熵 對(duì)于由大量分子構(gòu)成的系統(tǒng)而言，宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)目往往很大，這不利于實(shí)際計(jì)算。為此，玻耳茲曼引進(jìn)了熵的概念，并定義系統(tǒng)的熵為s∝klnΩ,后來普朗克把它寫成s=klnΩ，式中k叫做玻耳茲曼常數(shù)，s 為系統(tǒng)的熵，Ω為一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)目。 引入熵后，關(guān)于自然過程的方向性就可以表述為：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，從微觀角度看，熱力學(xué)的第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展。因此熱力學(xué)第二定律也叫做熵增加原理。 2.宇宙熱寂說 克勞修斯把他的熵增加原理應(yīng)用到無限的宇宙中去，得出了“宇宙熱寂說”。 “宇宙熱寂說”主要有以下幾個(gè)結(jié)論：第一，宇宙的離散度不斷增加。第二，所有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)都轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)。第三，熱量停止傳遞。最后我們可以設(shè)想出這么一個(gè)宇宙的圖景：宇宙的有效生命將停止。能量還保存著，但已失去一切活動(dòng)的能力，它無力再使宇宙運(yùn)動(dòng)，正如一潭死水不能使水車轉(zhuǎn)動(dòng)起來一樣，我們將處在一個(gè)死寂的、熱的宇宙中。但宇宙真會(huì)熱寂嗎？首先，熱力學(xué)試驗(yàn)成果是以有限的、孤立封閉的系統(tǒng)為研究對(duì)象的。以有限的范圍、有限的事件得出的規(guī)律能否推廣到全宇宙呢？其次，自然界的規(guī)律是否同樣適用于高級(jí)的生命運(yùn)動(dòng)呢？第三，黑洞理論指出，宇宙的離散度并非不斷增加。宇宙中存在的黑洞在不斷地吸引物質(zhì)。所以說，克勞修斯的“宇宙熱寂說”僅僅是一種形而上學(xué)的自然觀，我們不必杞人憂天地?fù)?dān)心宇宙會(huì)進(jìn)入“熱寂”。 3.大爆炸理論 大爆炸宇宙理論認(rèn)為，宇宙的演化是從物質(zhì)分布為均勻的狀態(tài)演化到非均勻狀態(tài)。宇宙膨脹是引力理論的一個(gè)結(jié)果，在宇宙范圍內(nèi)，引力是主導(dǎo)的，引力系統(tǒng)的熱力學(xué)與無引力的熱力學(xué)會(huì)導(dǎo)致十分不同的結(jié)論。比如，原來密度均勻的物質(zhì)由于漲落可產(chǎn)生密度差，在引力占主導(dǎo)的條件下，高密度區(qū)域會(huì)吸引更多的物質(zhì)而使密度變得更高，更多的物質(zhì)會(huì)逃離低密度區(qū)而使密度變得更低。各種星體就是通過這種非均勻化過程聚集而成的。經(jīng)典熱力學(xué)的結(jié)論是不考慮引力，在靜態(tài)空間下證明的，不適用于引力占主導(dǎo)地位的膨脹宇宙。 應(yīng)該指出，在一個(gè)非孤立的、有能量輸入的系統(tǒng)中，熵是完全可以減小的。比如地球就是這樣一個(gè)系統(tǒng)，它源源不斷地吸收太陽能，而最終進(jìn)化出了一個(gè)和諧有序的生物世界。 學(xué)后反思：