2013人教版選修（3-3）《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》word教案

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1、10.5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋【教學(xué)目標(biāo)】（一）知識與技能了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。（二）過程與方法通過對微觀狀態(tài)和宏觀狀態(tài)的分析，理解熵的意義。（三）情感、態(tài)度與價值觀通過對熱力學(xué)第二定律微觀意義的探究，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的動力。【教學(xué)重點】熱力學(xué)第二定律的微觀意義。【教學(xué)難點】對熵和熵增加原理的理解。【教學(xué)方法】講練法、分析歸納法、閱讀法【教學(xué)用具】投影儀、投影片【教學(xué)過程】（一）引入新課教師：（復(fù)習(xí)提問）用投影片出示下列問題1．什么是熱傳導(dǎo)的方向性？2．機(jī)械能和內(nèi)能之間相互轉(zhuǎn)化的方向性指的是什么？3．什么是第

2、二類永動機(jī)？為什么第二類永動機(jī)不可能制成？4．熱力學(xué)第二定律的兩種表述方式是什么？學(xué)生思考回答后，教師指出：系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)源于組成系統(tǒng)的微觀粒子的統(tǒng)計規(guī)律。本節(jié)課就要從微觀的角度說明為什么涉及熱運(yùn)動的宏觀過程會有一定的方向性。（二）進(jìn)行新課1．有序和無序宏觀態(tài)與微觀態(tài)教師：先引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容，以“撲克牌”為例，體會“有序”和“無序”的含義，從而進(jìn)一步體會“宏觀態(tài)”和“微觀態(tài)”的含義。教師：（講解）當(dāng)我們以系統(tǒng)的分子數(shù)分布而不區(qū)分具體的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)；如果使用分子數(shù)分布并且區(qū)分具體的

3、分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫熱力學(xué)系統(tǒng)的微觀態(tài)。在熱力學(xué)系統(tǒng)中，由于存在大量粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動，任一時刻各個粒子處于何種運(yùn)動狀態(tài)完全是偶然的，而且又都隨時間無規(guī)則地變化。系統(tǒng)中各個粒子運(yùn)動狀態(tài)的每一種分布，都代表系統(tǒng)的一個微觀態(tài)，系統(tǒng)的微觀態(tài)的數(shù)目是大量的，在任意時刻系統(tǒng)隨機(jī)地處于其中任意一個微觀態(tài)。下面我們以上圖所示的情況為例來進(jìn)一步加以說明。假設(shè)容器中體積相等的A、B兩室內(nèi)具有a、b、c、d一共4個全同的分子，它們在A、B兩室內(nèi)的分布情況共有16種方式。具體分布如下：（0，4）（0，abcd）（l，3）［（a，bcd

4、），（b，acd），（c，abd），（d，abc）］（2，2）［（ab，cd），（ac，bd），（ad，bc），（bc，ad），（bd，ac），（cd，ab）］（3，l）［（bcd，a），（acd，b），（abd，c），（abc，d）］（4，0）（abcd，0）上面的分布表達(dá)中，如（2，2）表示一個宏觀態(tài)（即A、B兩室內(nèi)各有2個分子但不區(qū)分具體分子）而（ab，cd）表示一個微觀態(tài)（a和b分子在A室內(nèi)，c和d分子在B室內(nèi)）由上表可清楚地看出，不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中以A、B兩室各有2個分子的宏觀態(tài)包含

5、的微觀態(tài)數(shù)目最多（6個）而以4個分子全部分布在A室或全部分布在B室的宏觀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)目最少（都是1個）。如果一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的。2．氣體向真空的擴(kuò)散教師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。教師講解：一個箱子被擋板分為左、右兩室，假設(shè)左室氣體只有a，b，c，d4個分子，右室為真空，撤去擋板后，氣體由左向右擴(kuò)散，由于各個微觀態(tài)出現(xiàn)的概率是一樣的，從宏觀上看，我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子重新集中在一個室中，另一個室變成真空的可能性小。而實際上，氣體系

6、統(tǒng)中分子個數(shù)相當(dāng)多，因此，撤去擋板后實際上我們只能看到氣體向真空中擴(kuò)散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室的現(xiàn)象。從無序的角度上看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量作無序運(yùn)動的分子組成的，因為任何熱力學(xué)過程都伴隨著分子的無序運(yùn)動狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的一瞬間，分子仍聚集在左室，對于左右兩室這一個整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就變得無序了，因此，氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的，因此，一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行。這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義。3．熵教

7、師：教師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。教師講解：對于由大量分子構(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，這不利于實際計算。為此，玻耳茲曼引進(jìn)了熵的概念，并定義系統(tǒng)的熵為Ω，后來普朗克把它寫成Ω，式中k叫做玻耳茲曼常數(shù)，S為系統(tǒng)的熵，Ω為一個宏觀狀態(tài)所對應(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，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。從微觀角度看，熱力學(xué)的第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律。一個孤立系統(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

8、向發(fā)展。因此，熱力學(xué)第二定律又叫做熵增加原理。（三）課堂總結(jié)、點評這節(jié)課我們學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第二定律的微觀意義。從微觀上解釋，一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行。在熱力學(xué)中，引入了熵的概念后，熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小?！镎n余作業(yè)完成P80“問題與練習(xí)”的題目。課下閱讀教材79頁“科學(xué)漫步”。★