高中物理 第四章 能量守恒與熱力學定律 4 熱力學第二定律 5 初識熵課件 教科版選修33

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1、4熱力學第二定律5初識熵第四章能量守恒與熱力學定律學習目標1.了解熱力學第二定律的兩種表述，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制成的原因.2.能運用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移以及方向性問題.3.了解有序和無序是相對的，知道熵的概念.4.了解熵增原理，知道它是熱力學第二定律的另一種表述.內(nèi)容索引重點探究啟迪思維 探究重點達標檢測檢測評價 達標過關(guān)自主預習預習新知 夯實基礎(chǔ)自主預習自主預習一、熱力學第二定律一、熱力學第二定律1.熱力學第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：不可能把熱量從 物體傳遞到 物體而不產(chǎn)生其他影響.闡述的是熱傳遞的 .(2)開爾文表述：不可能從單一熱源吸

2、取熱量使之 變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響.闡述的是機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的 .2.兩種表述是等效的兩種表述看上去似乎沒有聯(lián)系，然而實際上它們是 的，即由其中一個可以推導出另一個.低溫高溫方向性全部方向性等效3.熱力學第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進行都具有 .(2)氣體向真空的自由膨脹是 的.(3)第二類永動機是 (填“可能”或“不可能”)制成的.4.熱力學第二定律的實質(zhì)熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有 .方向性不可逆不可能方向性5.第二類永動機(1)定義：假設某一系統(tǒng)吸收空氣或海水中的熱量，對外部做

3、有用功，而又返回到初態(tài).如此周而復始地反復進行，永不停止，該系統(tǒng)稱為第二類永動機.(2)不可能制成的原因： 能量守恒定律，但 了熱力學第二定律.(均填“違反”或“不違反”)不違反違反1.對熵的認識(1)方向性不可逆過程總是系統(tǒng)從 的狀態(tài)向無差異的均勻狀態(tài)過渡，從_ 向無規(guī)則過渡，從 向分散過渡.(2)有序、無序把系統(tǒng)的有差異的不均勻、有規(guī)則、集中說成 ，把系統(tǒng)的無差異的均勻、無規(guī)則、分散說成 .(3)熵代表系統(tǒng)的 程度.無序性大， 大；無序性 ，熵小.二、初識熵二、初識熵有差異有規(guī)則集中有序無序無序性熵小2.熵增原理(1)內(nèi)容孤立系統(tǒng)的熵總是增加的，或者孤立系統(tǒng)的熵總 .(2)公式S表示過程中

4、熵的變化，則熵增原理可以表示為： .S0表示系統(tǒng)處于平衡態(tài)，S0表示孤立系統(tǒng)的任何一個過程熵總是增加的.(3)適用條件： 系統(tǒng).不減少S0孤立1.判斷下列說法的正誤.(1)可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?( )(2)第二類永動機違背了能量守恒定律.( )(3)第二類永動機違背了熱力學第二定律.( )(4)一個系統(tǒng)中個體排列的“有序”和“無序”是絕對的.( )(5)熵值越大代表著越有序.( )(6)孤立系統(tǒng)的總熵可能增大，也可能減小.( )即學即用即學即用答案2.(1)冰箱工作時，能把冰箱內(nèi)的熱量傳遞到冰箱外，這_(填“違反”或“不違反”)熱力學第二定律.(2)兩個溫度不同的物體接觸時，

5、熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，直到兩者溫度相等；一個溫度處處相等的物體，不可能自發(fā)地變成一部分溫度高，另一部分溫度低.這一事實說明，一切自然過程總是沿著分子熱運動_的方向進行.答案不違反無序性增大重點探究重點探究有人提出這樣一種設想，發(fā)明一種熱機，用它把物體與地面摩擦所產(chǎn)生的熱量都吸收過來并對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動能，使因摩擦停止運動的物體在地面上重新運動起來，而不引起其他變化.這是一個非常誘人的設想，這種設想并不違反能量守恒定律，如果真能造出這樣的熱機，那么，我們只從海水中吸收熱量來做功，就成為可能了，“能源問題”也就解決了.這樣的熱機能制成嗎？為什么？一、熱力學第二定律導學探究

6、導學探究答案答案不能.違背了熱力學第二定律.答案知識深化知識深化1.在熱力學第二定律的表述中，在熱力學第二定律的表述中，“不可能不可能”“”“不產(chǎn)生其他影響不產(chǎn)生其他影響”的涵義的涵義(1)關(guān)于“不可能”：實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時，除了從單一熱源吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫熱源傳到高溫熱源以外，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何曲折復雜的辦法都不可能加以消除.(2)“不產(chǎn)生其他影響”是指發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響.如吸熱、放熱、做功等.2.熱力學第二定律的意義熱力學第二定律的意義熱力學第二定律已在物理、化學、生物等自然學科中有著重要的應

7、用，對我們認識自然、利用自然有重要的指導意義.特別提醒特別提醒熱力學第二定律的實質(zhì)：熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.例例1(多選)根據(jù)熱力學第二定律可知，下列說法中正確的是 A.不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做有用功，而不引起其他 變化B.沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來 做有用功，而不引起其他變化的熱機是可以實現(xiàn)的C.制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中，而不引起其他 變化D.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化答案解析解析解析熱力學第

8、二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機械能必須借助外部的幫助，即會引起其他變化，A選項正確，B選項錯誤；熱傳遞過程也具有方向性，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體，必然要引起其他變化(外界對系統(tǒng)做功)，故C選項錯誤，D選項正確.針對訓練針對訓練(多選)下列說法中正確的是 A.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B.一切不違背能量守恒定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的C.由熱力學第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進行D.一切物理過程都不可能自發(fā)地進行答案解析解析解析能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程

9、都是具有方向性的，A對；第二類永動機不違背能量守恒定律，但是不能實現(xiàn)，B錯；在熱傳遞的過程中，能量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但其逆過程不可能自發(fā)地進行，C對，D錯.二、熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較1.兩個定律比較兩個定律比較熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的具體表現(xiàn)形式，在轉(zhuǎn)化的過程中，總的能量保持不變.熱力學第二定律是指在有限的時間和空間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程、化學過程都具有不可逆性.2.兩類永動機的比較兩類永動機的比較分類第一類永動機第二類永動機設計要求不消耗任何能量，可以不斷地做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起

10、其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)不可制成的原因違背能量守恒定律違背熱力學第二定律例例2關(guān)于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列論述正確的是 A.熱力學第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學第 二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是 相互矛盾的B.內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會產(chǎn)生其他影響，故兩條定 律并不矛盾C.兩條定律都是有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì) 區(qū)別D.其實，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學第一定律和熱力學第二定律答案解析解析解析熱力學第一定律是能量守恒定律在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn)，而熱力學第二定律則指出內(nèi)能和其他形

11、式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化的方向性，兩者并不矛盾，選項A、C、D錯誤，B正確.例例3下列說法正確的是 A.第二類永動機違背了能量守恒定律B.第二類永動機違背了熱力學第二定律C.根據(jù)能量守恒定律，經(jīng)過不斷的技術(shù)改造，熱機的效率有可能達到100%D.電冰箱和空調(diào)機工作時，熱量從低溫熱源傳到高溫熱源，違背了熱力 學第二定律答案解析解析解析第二類永動機沒有違背能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律，A錯誤，B正確；熱機的效率永遠小于100%，因為要向低溫熱源散熱，C錯誤；電冰箱和空調(diào)機工作時，是通過壓縮機做功，來實現(xiàn)熱量從低溫熱源到高溫熱源的傳遞，所以并沒有違背熱力學第二定律，D錯誤.三、初識熵(1)如圖1所示，一

12、幅是閱兵式的圖片，另一幅是清明上河圖(局部)，從這兩幅圖中我們看出了什么？導學探究導學探究答案答案閱兵式圖片較有序，清明上河圖較無序.答案圖1答案答案自發(fā)過程總是向著無序性增大的方向進行.答案(2)固體自發(fā)地熔化為液體、固體結(jié)晶要比液體整齊有序；液體自發(fā)地蒸發(fā)為氣體，液體分子的分布比氣體分子要集中有序.兩種不同氣體相互擴散，由有序變?yōu)闊o序，這些現(xiàn)象都說明了什么問題？知識深化知識深化1.熵的概念熵的概念(1)熵是系統(tǒng)無序度的量度“有序”和“無序”是相對而言的，是從有序程度上講的，熵越高，意味著宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)數(shù)目越多，即越無序，熵越低即越有序.(2)熵是不可逆過程的共同判據(jù)系統(tǒng)的自發(fā)過程總是

13、從有序向無序變化.因為熵是系統(tǒng)無序度的量度，所以可以用熵作為一切不可逆過程的共同判據(jù).(3)熵是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)系統(tǒng)的一個狀態(tài)對應一個熵值.如一塊完整的玻璃有一熵值，打碎的玻璃另有一個熵值.2.熵增原理熵增原理熱力學第二定律的另一種表述熱力學第二定律的另一種表述孤立系統(tǒng)的熵總是增加的，或者孤立系統(tǒng)的熵總不減少.“孤立系統(tǒng)”是指與外界既沒有物質(zhì)的交流，也沒有能量的交換，即與外界沒有任何聯(lián)系的系統(tǒng).熵增是孤立系統(tǒng)內(nèi)部實際發(fā)生過程的必然趨勢.即一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行.特別提醒特別提醒客觀過程的方向性具有統(tǒng)計意義，宏觀過程總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，即總是向著概率大的狀態(tài)發(fā)展，而不

14、可能相反.例例4(多選)關(guān)于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法正確的是 A.大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\動B.熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的 過程C.熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大 的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程D.一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行答案解析解析解析分子熱運動是大量分子的無規(guī)則運動，系統(tǒng)的一個宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個無序的運動，根據(jù)熵增原理，熱運動的結(jié)果只能使分子熱運動更加無序.而不是變成了有序，熱傳遞的自然過程從微觀上講就是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的

15、過程，故選C、D.1.一切自發(fā)過程都是不可逆的，是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)展的過程，即無序性增大的過程.2.傳熱過程是大量分子由無序程度小的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化為無序程度大的運動狀態(tài)的過程，體現(xiàn)了熱傳遞的方向性.總結(jié)提升總結(jié)提升例例5下列關(guān)于熵的說法中錯誤的是 A.熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度B.在自然過程中一個孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的C.熱力學第二定律也叫做熵減小原理D.熵值越大代表著越無序解析解析一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學第二定律的微觀意義.系統(tǒng)的熱力學過程就是大量分子向無序程度大的狀態(tài)變化的過程.自然過程的方向性可以表述為：在任何自

16、然過程中，一個孤立系統(tǒng)的熵值不會減小，因此熱力學第二定律又稱為熵增原理.故A、B、D說法正確，C說法錯誤.答案解析達標檢測達標檢測1.(熱力學第二定律的理解熱力學第二定律的理解)下列說法正確的是 A.機械能全部變成內(nèi)能是不可能的B.第二類永動機不可能制造成功是因為能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會 憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化 成另一種形式C.根據(jù)熱力學第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體D.從單一熱源吸收的熱量全部變成有用功是可能的答案1234解析解析解析機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A錯；第二類永動機不可能制造成功是因為它違背了熱力學第二定律，故B錯；熱量不能

17、自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但如果不是自發(fā)地，是可以進行的，故C錯；從單一熱源吸收熱量全部用來做功而不引起其他變化，是不可能的，但如果是從單一熱源吸收熱量全部變?yōu)橛杏霉Φ耐瑫r也引起了其他的變化，是可能的，故D項對.12342.(熱力學第一定律與熱力學第二定律的比較熱力學第一定律與熱力學第二定律的比較)(多選)圖2為電冰箱的工作原理示意圖.壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán).在蒸發(fā)器中制冷劑汽化，吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外.下列說法正確的是 圖2A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因為其消

18、耗了電能C.電冰箱的工作原理不違背熱力學第一定律D.電冰箱的工作原理違背了熱力學第一定律答案解析1234解析解析熱力學第一定律適用于所有的熱學過程，選項C正確，D錯誤；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，要想使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體必須借助于其他系統(tǒng)做功，選項A錯誤，B正確.12343.(熱力學第二定律的微觀意義熱力學第二定律的微觀意義)下列關(guān)于熱力學第二定律微觀意義的說法正確的是 A.從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律B.一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行C.有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程 沿著分子熱運動無序性減小的方向進行D

19、.在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵會減小答案1234解析1234解析解析熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，A對；從熱力學第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行，B、C錯；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是熵增加的方向進行，故D錯.4.(熵增原理熵增原理)(多選)關(guān)于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是 A.系統(tǒng)的總熵不可能減小B.系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C.系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展D.系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展答案解析1234解析解析在孤立體系中發(fā)生的實際過程，其系統(tǒng)的總熵總是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯誤；根據(jù)熵增原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故C正確，D錯誤.