《热力学第二定律的微观解释》 教案
【教学目标】
1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。
2.了解热力学第二定律的微观意义。
3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。
4.知道随着条件的变化，熵是变化的。
【教学过程】
一、复习回顾
热力学第二定律：宏观的自然过程都具有方向性。
实例：
为什么宏观自然过程都具有方向性？
二、讲授新课
（一）.有序和无序
1.有序：
。
2.无序： 。
3.无序意味着各处都 。
对比1
对比2
4.有序和无序是 。
（二）.宏观态和微观态
1.宏观态： 。
2.微观态： 。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“宏观态”对应的“微观态”比较 ，就说这个“宏观态”是比较 。
【实例探究】
一箱子被挡板分成左右两室，4个气体分子都在左室，撤去挡板后气体将在整个容器内无规则运动。分析挡板撤去后，4个分子在容器中可能的分布情形。
D A
C B 每一种情形出现的概率各是多少？
【得出结论】
高中物理 | 10.4热力学第二定律的微观解释
热力学第二定律的本质
自然界一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
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。
无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。有序和无序是相对的。
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。
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“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。
3.热力学第二定律的统计意义
对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。
在热力学中，序：区分度。
热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。
下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认识第二定律的本质。
不可逆过程的统计性质 ——以气体自由膨胀为例
一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色的气体分子。
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。
隔板抽出后，4个气体分子在容器中可能的分布情形
1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为 。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。一般来说，若有N个分子，则共有2N 种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N
热力学第二定律的微观意义
一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
不可逆过程的本质
系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程。
自发过程的规律：
概率小的状态（有序）→概率大的状态（混乱）
1 第五节 热力学第二定律的微观解释
教学目标：
（一）知识与技能
了解热力学第二定律的微观意义。
（二）过程与方法
通过对微观状态和宏观状态的分析，理解熵的意义。
（三）情感、态度与价值观
通过对热力学第二定律微观意义的探究，激发学习物理的动力。
教学重点：
热力学第二定律的微观意义。
教学难点：
对熵和熵增加原理的理解。
教学方法：
讲述法、分析归纳法、阅读法
教学用具：
投影仪、投影片
教学过程：
（一）复习提问，引入新课
1、什么是热传导的方向性？
2、机械能和内能之间相互转化的方向性指的是什么？
3、什么是第二类永动机？为什么第二类永动机不可能制成？
4、热力学第二定律的两种表述方式是什么？
学生思考回答后，教师指出：系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统计规律。本节课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）新课教学
1、有序和无序 宏观态与微观态
引导学生阅读教材有关内容，以“扑克牌”为例，体会“有序”和“无序”的含义，从而进一步体会“宏观态”和“微观态”的含义。
2 教师讲解：
当我们以系统的分子数分布而不区分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的宏观态；如果使用分子数分布并且区分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的微观态。
在热力学系统中，由于存在大量粒子的无规则热运动，任一时刻各个粒子处于何种运动状态完全是偶然的，而且又都随时间无规则地变化。系统中各个粒子运动状态的每一种分布，都代表系统的一个微观态，系统的微观态的数目是大量的，在任意时刻系统随机地处于其中任意一个微观态。
下面我们以上图所示的情况为例来进一步加以说明。假设容器中体积相等的A、B两室内具有a、b、c、d一共4个全同的分子，它们在A、B两室内的分布情况共有16种方式。具体分布如下：
（0，4）1（0，abcd）
（ l，3）4［（a，bcd），（b，acd），（c，abd），（d，abc）］
高中物理-热力学第二定律的微观解释
在下列叙述中，正确的是
A．熵是物体内分子运动无序程度的量度
B．对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向减少的方向进行
C．热力学第二定律的微观实质是：熵总是增加的
D．熵值越大，表明系统内分子运动越无序
E．能量耗散说明能量在不断减小
【参考答案】ACD
【试题解析】熵是物体内分子运动无序程度的量度，熵值越大，表明系统内分子运动越无序。任何自然过程一定总是沿着熵增加的方向进行的，即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的。能量耗散是指能量的可利用率越来越低。熵是物体内分子运动无序程度的量度，系统内分子运动越无序，熵值越大，故AD正确；对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行，故B错误；根据热力学第二定律，扩散、热传递等现象与温度有关，是与热现象有关的宏观过程，具有方向性，其实质表明熵总是增加的，故C正确；能量耗散是指能量的可利用率越来越低，但能量仍然是守恒的，故E错误。
【名师点睛】解决本题的关键是要理解并掌握熵的物理意义，知道熵是物体内分子运动无序程度的量度，一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行。
【知识补给】
热力学第二定律的微观解释
1．有序和无序
（1）在生活中遇到的有关事件，只要确定了某种规则，符合这个规则的就是有序的。如果对个体没有确定的要求，我们就说这是无序的。如果一个“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。
（2）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，这就是热力学第二定律的微观意义。
2．一个非常有用的概念——熵
（1）在物理学上，为了描述一个系统的无序程度引入了一个物理量，叫做熵。系统的熵高，表示无序程度大，显得“混乱”和“分散”；系统的熵低，表示无序程度小，显得“有序”“整齐”和“集中”。
（2）引入熵之后，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少。这就是用熵的概念表示的热力学第二定律。
