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.doc

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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： 知識與技能： 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，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減少 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孤立系統(tǒng)的總熵不會減少 情感態(tài)度和價值觀： 培養(yǎng)分析、歸納、綜合能力 重點：熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 難點：熵的概念 知識鏈接： 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。有序和無序是相對的。 2、 簡述什么是宏觀態(tài)和微觀態(tài)。 系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應(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“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，同時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)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。 一個系統(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程度更大的方向發(fā)展。 例1 一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止。系統(tǒng)的熵如何變化？ 解析：因為物體由于受到摩擦力而停止運動，其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運動的程度，使得無規(guī)則運動加強，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”是德國物理學(xué)家克勞修斯在1850年創(chuàng)造的一個術(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。如果對于我們所考慮的那個系統(tǒng)來說，能量完全均勻地分布，那么這個系統(tǒng)的熵就達到最大值。簡單的說，“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，在一個封閉的系統(tǒng)中，運動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，糖分子的運動擴展到了整杯水中，它們的運動變得更加無序了。對于一個封閉的系統(tǒng)，能量差也總是傾向于消除的。比如，有水位差的兩個水庫，如果把它們連接起來，那么，重力就會使一個水庫的水面降低，而使另一個水庫的水面升高，直到兩個水庫的水面均等，勢能取平為止。 克勞修斯總結(jié)說，自然界中的一個普遍規(guī)律是：運動總是從有序到無序，能量的差異總是傾向變成均等，也即“熵將隨著時間而增大”。 熵 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”主要有以下幾個結(jié)論：第一，宇宙的離散度不斷增加。第二，所有的機械運動都轉(zhuǎn)化為熱運動。第三，熱量停止傳遞。最后我們可以設(shè)想出這么一個宇宙的圖景：宇宙的有效生命將停止。能量還保存著，但已失去一切活動的能力，它無力再使宇宙運動，正如一潭死水不能使水車轉(zhuǎn)動起來一樣，我們將處在一個死寂的、熱的宇宙中。但宇宙真會熱寂嗎？首先，熱力學(xué)試驗成果是以有限的、孤立封閉的系統(tǒng)為研究對象的。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的生命運動呢？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擔(dān)心宇宙會進入“熱寂”。 3.大爆炸理論 大爆炸宇宙理論認為，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)域會吸引更多的物質(zhì)而使密度變得更高，更多的物質(zhì)會逃離低密度區(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系統(tǒng)，它源源不斷地吸收太陽能，而最終進化出了一個和諧有序的生物世界。 學(xué)后反思：