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    人教版物理选修1-2《有序、无序和熵》导学案

    人教版物理选修1-2《有序、无序和熵》导学案第1页
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    人教版 (新课标)选修1五、有序、无序和熵教学设计及反思

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    这是一份人教版 (新课标)选修1五、有序、无序和熵教学设计及反思,共3页。
    了解有序和无序,宏观态和微观态的概念。


    了解热力学第二定律的微观意义。


    了解熵的概念,知道熵是反映系统无序程度的物理量。


    知道随着条件的变化,熵是变化的。


    诱思导学


    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.热力学第二定律的微观意义


    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。


    4.熵和系统内能一样都是一个状态函数,仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看,熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。


    一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中,系统的熵是增加的。


    在绝热过程或孤立系统中,熵是增加的,叫做熵增加原理。对于其它情况,系统的熵可能增加,也可能减小。


    从微观的角度看,热力学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程度更大的方向发展。


    典例探究


    例1 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。


    友情提示:本题考查的是对熵增加原理的理解和应用。


    课后问题与练习点击:


    解析:①全是甜的,对应的微观态1个,宏观态出现的概率是1/32;②全是咸的,对应的微观态1个,宏观态出现的概率是1/32;③1甜4咸,对应的微观态5个,宏观态出现的概率是5/32;④4甜1咸,对应的微观态5个,宏观态出现的概率是5/32;⑤2甜3咸,对应的微观态10个,宏观态出现的概率是10/32;⑥3甜2咸,对应的微观态10个,宏观态出现的概率是10/32;


    解析:(1)概率


    (2)概率


    (3)概率


    (4)无序性增大了3.略基础训练


    1.一定质量的气体被压缩,从而放出热量,其熵怎样变化?


    2.保持体积不变,将一个系统冷却,熵怎样变化?


    多维链接


    熵与熵增加原理


    "熵"是什么?"熵"是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语,他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀,熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说,能量完全均匀地分布,那么这个系统的熵就达到最大值。简单的说,"熵"就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。


    在克劳修斯看来,在一个封闭的系统中,运动总是从有序到无序发展的。比如,把一块冰糖放入水中,结果整杯水都甜了。这就是说,糖分子的运动扩展到了整杯水中,它们的运动变得更加无序了。对于一个封闭的系统,能量差也总是倾向于消除的。比如,有水位差的两个水库,如果把它们连接起来,那么,重力就会使一个水库的水面降低,而使另一个水库的水面升高,直到两个水库的水面均等,势能取平为止。


    克劳修斯总结说,自然界中的一个普遍规律是:运动总是从有序到无序,能量的差异总是倾向变成均等,也即"熵将随着时间而增大"。


    宇宙热寂说


    克劳修斯把他的熵增加原理应用到无限的宇宙中去,得出了"宇宙热寂说"。


    "宇宙热寂说"主要有以下几个结论:第一,宇宙的离散度不断增加。第二,所有的机械运动都转化为热运动。第三,热量停止传递。最后我们可以设想出这么一个宇宙的图景:宇宙的有效生命将停止。能量还保存着,但已失去一切活动的能力,它无力再使宇宙运动,正如一潭死水不能使水车转动起来一样,我们将处在一个死寂的、热的宇宙中。


    但宇宙真会热寂吗?首先,热力学试验成果是以有限的、孤立封闭的系统为研究对象的。以有限的范围、有限的事件得出的规律能否推广到全宇宙呢?其次,自然界的规律是否同样适用于高级的生命运动呢?第三,黑洞理论指出,宇宙的离散度并非不断增加。宇宙中存在的黑洞在不断地吸引物质。所以说,克劳修斯的"宇宙热寂说"仅仅是一种形而上学的自然观,我们不必杞人忧天地担心宇宙会进入"热寂"。


    大爆炸理论


    大爆炸宇宙理论认为,宇宙的演化是从物质分布为均匀的状态演化到非均匀状态。宇宙膨胀是引力理论的一个结果,在宇宙范围内,引力是主导的,引力系统的热力学与无引力的热力学会导致十分不同的结论。比如,原来密度均匀的物质由于涨落可产生密度差,在引力占主导的条件下,高密度区域会吸引更多的物质而使密度变得更高,更多的物质会逃离低密度区而使密度变得更低。各种星体就是通过这种非均匀化过程聚集而成的。经典热力学的结论是不考虑引力,在静态空间下证明的,不适用于引力占主导地位的膨胀宇宙。


    应该指出,在一个非孤立的、有能量输入的系统中,熵是完全可以减小的。比如地球就是这样一个系统,它源源不断地吸收太阳能,而最终进化出了一个和谐有序的生物世界。





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