第五节 热力学第二定律的微观解释
一、教学目标
1、了解有序和无序是相对的。
2、知道宏观态与微观态，知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的对应关系。
3、知道熵的概念，初步了解熵是描述系统无序程度的物理量。了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述。
4、能用熵增加原理解释生活中的一些现象。
二、教学重点与难点
对热力学第二定律的微观解释是本节的重点，对熵的概念的学习以及熵增加原理的内容和运用是本节的难点。
三、教学方法与建议
阅读法、实例分析法
四、学情分析
这一节的概念挺多的，从无序到有序，从宏观态到微观态，从熵的概念到熵增加原理，要想使学生在一节内容中接受这些概念而不相互混淆的话，教师需要通过适当的举例，分层次地将难懂的物理知识与学生的生活经验结合起来，以帮助学生完成本节课的学习。
五、教学过程
（一）复习引入
[问题] 热力学第二定律的两种表述分别是什么？
学生：给出热力学第二定律的克劳休斯表述与开尔文表述，并说明它们是分别从热传递过程的方向性和机械能与内能转化过程的方向性表述的。
教师：热力学定律是以宏观事实为基础的，它告诉我们热学现象、热学过程遵循什么规律。但是，通过前面几章的学习我们已经知道，系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统计规律。本节就要从微观的角度说明为什么涉及热运动的宏观过程会有一定的方向性。
（二）新课学习
1、几个基本概念
让学生阅读课本P63对应内容，归纳以下概念：
（1）有序和无序
有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：不符合某种确定规则的称为无序。
（2）宏观态和微观态
宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。
微观态：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。
教师补充：
（1）无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。
（2）有序和无序是相对的。
（3）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。如果一个
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“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，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。
2、热力学第二定律的微观意义
（1）气体向真空的扩散
一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色分子。
分布
（宏观态）
详细分布
（微观态）
开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：
左边一列的各种分布仅指出A、B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，具体指明了这个或那个分子各处于A或B哪一边，代表的是系统的任意一个微观态。
4个分子在容器中的分布对应5种宏观态。一种宏观态对应若干种微观态。不同的宏观态对应的微观态数不同。均匀分布对应的微观态数最多。全部退回A边仅对应一种微观态。
（2）结论
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。
（3）热力学第二定律的微观意义
综上分析可知：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。
3、熵
阅读课本对应内容，了解以下知识：
（1）为了便于理论上处理，物理学家们用一个新的状态函数——熵 S来表示系统无序性的大小。玻耳兹曼在1877年定义熵与热力学概率之间的关系为： S=kln W
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其中k为玻耳兹曼常量，上式称为玻耳兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式。
（2）用熵 S 代替热力学概率后，热力学第二定律可以表述为：在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵增加的方向进行，它是不可逆的，平衡态相应于熵最大值的状态。热力学第二定律的这一表述称为熵增加原理。
（3）关于熵的一些知识介绍
“熵”的名称是由德国物理学家道尔夫·克劳修斯于1868年造出来的，它代表着宇宙中不能再被转化做功的能量的总和的测定单位，即熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。熵本身既不是好事，也不是坏事；它意味着腐败和混乱，但它同时也意味着生命本身的展开──不论是有机的，还是无机的生命。卡农、乔治·梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，它与热力学第二定律是相符的。热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式；热力学第二定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态。
• 有效能量告罄时，是“热寂”──死寂的热平衡状态。
• 有效物质耗尽时，是一片“物质混乱”──整个宇宙的大混乱和大混沌。
• 古罗马诗人贺拉斯说：“时间磨灭了世界的价值！”可谓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，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流中的一股逆流！
• 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！
[例题] 一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？
解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。
（三）课堂总结
教师和学生一起总结本节课所学内容。
（四）课后作业
完成课后P67“问题与思考”，第1题书面作业，第2题课后思考。
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