高中物理 第5章 热力学定律 第4节 熵;无序程度的量度知识导航素材 鲁科版选修3-3

高中物理 第5章 热力学定律 第4节 熵;无序程度的量度知识导航素材 鲁科版选修3-3

第4节 熵——无序程度的量度 ‎ 思维激活 试想象有九个人排成一个方阵——三个人一排地排成三行，每行每列都对得整整齐齐.我们可以把这种排列叫做有秩序的排列，因为它又整齐、又对称，描述起来也很容易.如果这九个人每人都同时向前跨一步，那么，他们将保持原来的队形，这时的排列仍然是有秩序的.如果每个人都向后退一步或者向左或向右移一步，情况也是这样.但是，假定现在命令每个人都走一步，但前后左右都可以，并且每个人可以随意选择他的方向.这时，可能每个人都碰巧独立地决定向前跨一步.在这种情况下，秩序就仍旧保持不变.不过，其中任何一个特定的人选择向前跨一步的可能性只有四分之一，因为他可以随意朝四个方向当中的任一个方向走那一步，因此，所有九个人全部独立决定向前跨一步的可能性只有4×4×4×4×4×4×4×4×4分之一，即只有1/262 144.‎ 这跟我们学的物理学有什么关系？‎ 提示：这是个只牵涉到九个人、并且只容许有四个不同的运动方向的情形.在大多数自然过程中，我们却要碰到无数个可以用非常多种不同方式自由运动的分子.如果由于某种机会，这些原子在开始时有某种有序的排列，那么以后任何一种自由的无规则运动、任何一种自发的变化，都必定会降低那种有序的程度，换句话说，就是会提高无序的程度.本节将从有序和无序入手对热力学第二定律展开微观的探究.‎ 自主整理 一、有序与无序 一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动___________程度___________的方向进行.这就是热力学第二定律的微观本质.‎ 二、熵和熵增加原理 ‎1.量度系统无序程度的物理量叫做___________.‎ ‎2.孤立系统是指与外界既没有___________交换又没有___________交换的系统.‎ 因为不可逆过程总是沿着无序程度增大的方向进行,而熵是无序程度大小的量度,所以,在孤立系统中,一切不可逆过程必然朝着___________的方向进行,这就是___________原理.‎ 在可逆过程中,系统的熵是___________的.‎ 三、无处不在的熵 在熵增加的同时,一切不可逆过程总是使得能量逐渐丧失做功的要领,从可利用状态转化为不可利用状态,即能量品质退化了,这种现象称为____________.‎ 高手笔记 ‎1.有序和无序 有序 一个系统的个体按确定的规则,有顺序地排列 无序 一个系统的个体分布没有确定的要求,分布是随意的.无序是相对有序来讲的 ‎2.宏观态和微观态 宏观态 属统计物理学概念,是指所规定的系统的宏观状态 微观态 在规定的一个宏观态下,系统内微观的不同分布状态 ‎3.宏观自发过程的方向性 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.‎ ‎4.熵:S=klnΩ,S表示熵,k表示玻耳兹曼常数,Ω表示微观状态的数目.‎ 物理意义,系统内分子运动无序性的量度.‎ ‎5.熵增加原理：在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小.‎ 名师解惑 ‎1.热力学第二定律的微观意义 剖析：一个箱子被挡板分为左、右两室,假设左室气体只有a、b、c、d四个分子组成,右室为真空,撤去挡板后,气体由左向右扩散,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2右‎2”‎ 这种均匀分布的可能性最大,而分子重新集中在一个室中,另一个室变成真空的可能性小.而实际上,气体系统中分子个数相当多,因此,撤去挡板后实际上我们只能看到气体向真空中扩散,而不可能观察到气体分子重新聚集在一室的现象.‎ 从无序的角度上看,热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的,因为任何热力学过程都伴随着分子的无序运动状态的变化,当撤去挡板的一瞬间,分子仍聚集在左室,对于左右两室这一整体来讲,这显然是一种高度有序的分布,当气体分子自由扩散后,气体系统就变得无序了,因此,气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的,因此,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.‎ ‎2.关于熵的正确理解 剖析：对于由大量分子构成的系统而言,宏观态包含的微观态数目往往很大,这不利于实际计算.为此,玻耳兹曼引进了熵的概念,并定义系统的熵为S∝lnΩ,后来普朗克把它写成S=klnΩ,式中k叫做玻耳兹曼常数,S为系统的熵,Ω为一个宏观状态所对应的微观状态数目.‎ 引入熵后,关于自然过程的方向性就可以表述为:在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小.从微观角度看,热力学的第二定律是一个统计规律:一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,而熵值较大代表着较为无序,所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展,因此热力学第二定律又叫熵增加原理.‎ 讲练互动 ‎【例题】在下列四个过程中,可能发生的是（ ）‎ A.某物体从高温热源吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有产生任何其他影响 B.打开一高压密闭容器,容器内的气体自发流出后又自发流回该容器里去,恢复原状 C.以引起其他变化为代价,使低温物体的温度更低,高温物体的温度更高 D.两瓶不同液体自发的互溶过程是朝着熵减小的方向进行的 解析：A错,违反了热力学第二定律;由于自然过程的方向性,可知B是错误的,C正确.液体自发的互溶过程是不可逆过程,必然是朝着熵增加的方向进行的,故D错.‎ 答案：C 绿色通道此题主要考查对熵概念的理解.熵是系统内分子运动无序性的量度;熵增加原理是指在任何自然过程中一个孤立系统的总熵不变,即熵始终向着增大的方向进行.‎ 变式训练 下列叙述中正确的是（ ）‎ A.对一定质量的气体加热,其内能可能减小 B.在任何系统中,一切过程都朝着熵增加的方向进行 C.物体的温度升高,分子热运动变得剧烈,每个分子动能都增大 D.根据热力学第二定律可知,热量能够从高温物体传到低温物体,但不可能从低温物体传到高温物体 答案：A 体验探究 ‎【问题】 熵有哪些基本性质？你是怎样理解熵的？‎ 导思：1.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.‎ ‎2.对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行.或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小.这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式.‎ 探究:史青：熵的微观意义是系统内分子热运动无序性的量度.‎ 丁慧：熵表示一个体系自由度的物理量，熵越大，表示在这个体系下的自由度越大，可能达到的状态越多.‎ 万方：熵不是守恒的量，在孤立体系中经过一不可逆过程，熵总是增加的.‎ 王雨：熵的本质是体系微观混乱度的量度，混乱度越大，熵值也越大.‎ 探究结论：熵是无序性的量度.‎ 教材链接 ‎(教材P93)‎ ‎1.整洁有序的房间,如果不注意保持,就会变得杂乱无序(图‎5-4-1‎).如何才能使它回到有序状态?‎ 试想,如果分子运动可以自发地从无序变为有序,会有什么现象发生?这些现象会自然发生吗?为什么?‎ 请与同学讨论交流.‎ 图‎5-4-1‎ 答：必须通过人们的整理,才能使它回到有序状态.这些现象不会自然发生,因为违背热力学第二定律.‎ ‎(教材P95)‎ ‎2.一只完好的杯子从高处落到地上摔碎了(如图‎5-4-2‎),这是一个可逆过程还是不可逆过程?在这个过程中熵是增加还是减少?‎ 请与同学讨论交流.‎ 图‎5-4-2‎ 答:不可逆 增加