高中物理 第五章 热力学定律 第4节 熵;无序程度的量度 关于宏观态和微观态素材 鲁科版选修3-3

高中物理 第五章 热力学定律 第4节 熵;无序程度的量度 关于宏观态和微观态素材 鲁科版选修3-3

关于宏观态和微观态 ‎ 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。‎ 热力学第二定律的微观意义 一个箱子被挡板分为左、右两室，假设左室气体只有A、B、C、D4个分子组成，另室为真空，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实中扩散，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作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。‎ 熵 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∝klnΩ,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也叫做熵增加原理。‎