高中物理 第4章 熱力學定律與能量守恒 4_3 熱力學第二定律 4_4 描述無序程度的物理量教師用書 滬科版選修3-3

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4．3　熱力學第二定律 4．4　描述無序程度的物理量 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.知道熱傳遞及宏觀過程的方向性．(重點) 2．理解熱力學第二定律的兩種不同的表述，以及這兩種表述的物理實質．(重點、難點) 3．明確什么是有序和無序，理解熱力學第二定律的微觀意義．(難點) 4．了解熵的概念. 熱力學第二定律 1．自然過程的方向性 (1)熱傳遞具有方向性：熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，卻不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體． (2)一切自發(fā)過程都是有方向性的，是不可逆的． 2．熱機 (1)定義：一種把內能轉化為機械能的裝置． (2)理想熱機的工作原理：熱機從熱源吸收熱量Q1，推動活塞做功W，然后向低溫熱源(冷凝器)釋放熱量Q2. (3)效率：由能量守恒定律知：Q1＝W＋Q2，而我們把熱機做的功W和它從熱源吸收的熱量Q1的比值叫做熱機效率，用η表示，即η＝. (4)熱機不可能把它得到的全部內能轉化為機械能，即效率不可能達到100%. 3．熱力學第二定律 (1)克勞修斯表述：不可能使熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化．此表述揭示出熱傳遞具有方向性． (2)開爾文表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化．此表述揭示出能量在轉化過程中具有方向性． (3)第三種表述：第二類永動機是不可能制成的． 1．溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體．() 2．熱傳導的過程是具有方向性的．(√) 3．熱量不能由低溫物體傳給高溫物體．() 熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，我們所說的“自發(fā)地”指的是沒有任何的外界影響或者幫助．電冰箱是讓“熱”由低溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境．這是不是自發(fā)進行的？說明理由． 圖431 【提示】　電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，在該過程中電冰箱要消耗電能．一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱量會自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高． 1．對熱力學第二定律的理解 (1)克勞修斯表述指明熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助，其物理本質是揭示了熱傳遞過程是不可逆的． (2)開爾文表述中的“單一熱源”指溫度恒定且均勻的熱源．“不引起其他變化”惟一效果是熱量全部轉變?yōu)楣Χ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化．其物理實質揭示了功變熱過程是不可逆的． (3)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，進而使人們認識到自然界中一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的． 2．熱力學第二定律與熱力學第一定律的關系 (1)關于滑動摩擦力做功：熱力學第一定律中，滑動摩擦力做功可以全部轉化為熱．熱力學第二定律卻說明這一熱量不可能在不引起其他變化的情況下完全變成功． (2)關于熱量的傳遞：熱力學第一定律說明熱量可以從高溫物體自動傳到低溫物體，而熱力學第二定律卻說明熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體． (3)關于能量：熱力學第一定律說明在任何過程中能量必守恒，熱力學第二定律卻說明并非所有能量守恒過程均能實現，能量轉化或轉移有方向性． (4)兩定律的關系：熱力學第一定律是和熱現象有關的物理過程中能量守恒的特殊表達形式，說明功及熱量與內能改變的定量關系；而第二定律指出了滿足能量轉化與守恒的過程不一定都能進行，指出過程進行具有方向性．其實質是一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響．所以二者相互獨立，又相互補充． 3．第二類永動機的特點 (1)定義：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a生其他影響的熱機． (2)第二類永動機不可能制成 雖然第二類永動機不違反能量守恒定律，但大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱源，熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓Γ筒豢杀苊獾貙⒁徊糠譄崃總鹘o低溫熱源．很顯然，如果第二類永動機能制成，那么就可以利用空氣或海洋作為熱源，從它們那里不斷吸取熱量而做功，這是最經濟不過的，因為海洋的內能實際上是取之不盡的． 4．兩類永動機的比較 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，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去) 將內能全部轉化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現內能與機械能的轉化) 不可能 的原因 違背了能量的轉化與守恒定律 違背了熱力學第二定律 【說明】　宏觀能量的轉化效率不可能等于100%，也是熱力學第二定律的體現． 1．(2016唐山檢測)下列關于熱力學第二定律的說法正確的是(　　) A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發(fā)生 B．一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的 C．機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能而不引其他影響 D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的 E．熱運動的宏觀過程會有一定的方向性 【解析】　熱運動的宏觀過程會有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏觀過程并不能都真的發(fā)生，故A錯誤，E正確；根據熱力學第二定律，一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，所以氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，故B正確，D錯誤；根據熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸收熱量使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，所以機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能，故C正確． 【答案】　BCE 2．根據熱力學第二定律，下列說法中正確的是(　　) 【導學號：35500043】 A．電流的電能不可能全部轉變成內能 B．在火力發(fā)電中，燃氣的內能不可能全部轉變?yōu)殡娔? C．在熱機中，燃氣的內能不可能全部轉變?yōu)闄C械能 D．在熱傳導中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體 E．熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，而不引起其他的影響 【解析】　電能可以全部轉化為內能，如純電阻電路，而燃氣的內能不可能全部轉化為電能和機械能，故A錯誤，B、C正確；根據熱力學第二定律關于熱傳導的描述知，D正確，E錯誤． 【答案】　BCD 3．下列說法中正確的是(　　) A．機械能全部轉化為內能是不可能的 B．機械能可以全部轉化為內能 C．第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會消失，也不會創(chuàng)生，只能從一個物體轉移到另一個物體，或從一種形式轉化為另一種形式 D．根據熱力學第二定律可知，熱量可能從低溫物體傳到高溫物體 E．從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣κ强赡艿? 【解析】　機械能可以全部轉化為內能，故A錯誤，B正確；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C錯誤；熱量不能自發(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D正確；從單一熱源吸收的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的熱量全部變?yōu)楣Φ耐瑫r也引起了其他的變化，是可能的，故E正確． 【答案】　BDE 理解熱力學第二定律的方法 (1)理解熱力學第二定律的實質，即自然界中進行的所有涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性．理解的關鍵在于“自發(fā)”和“不引起其他變化”． (2)正確理解哪些過程不會達到100%的轉化而不產生其他影響． 　描述無序程度的物理量 1．宏觀方向性的微觀本質 (1)擴散現象的微觀本質：擴散現象中，由于氣體分子的無規(guī)則運動打亂了系統(tǒng)原來的有序分布，這個系統(tǒng)的無序程度增加了． (2)熱傳遞的微觀本質：發(fā)生熱傳遞之前，兩個溫度不同的物體內的分子按分子平均動能的大小有序分布，一旦發(fā)生熱傳遞，兩個物體內分子的平均動能逐漸變成一個中間值，也就是說系統(tǒng)的無序程度增加了． (3)不管是擴散現象還是熱傳遞，都說明宏觀過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行． 2．熵 (1)概念：熱力學系統(tǒng)處于任何一個狀態(tài)都對應著一個熵，熵的大小表征著熱力學系統(tǒng)內分子熱運動雜亂無章的程度． (2)熱力學第二定律的又一種表述：任何一個孤立系統(tǒng)自發(fā)變化時，熵永遠不會減少． 3．無處不在的熵 (1)任何宏觀物質系統(tǒng)，它們都有熵，熵可以在過程中增加和傳遞． (2)熵的概念已拓展到自然科學和社會科學的各個領域． (3)熵增加原理與能量守恒定律一起控制著一切自然過程的發(fā)生和發(fā)展． 1．熵是系統(tǒng)內分子運動無序性的量度．(√) 2．在自然過程中熵總是增加的．(√) 3．熵值越大代表越有序．() 成語“覆水難收”指一盆水潑出后是不可能再回到盆中的，請結合熵的變化解釋為什么水不會自發(fā)地聚到盆中． 【提示】　由于盆的形狀確定，水在盆中時，空間位置和所占據的空間的體積一定，顯得“有序”“整齊”和“集中”，系統(tǒng)的熵低．當把水潑出后，它的形狀不再受盆的限制，各種可能的形狀都有，占據的空間面積和所處的位置都有多種可能，顯得“混亂”“分散”，較為“無序”，系統(tǒng)的熵高．水潑出的過程屬于從有序向無序的轉化過程，導致熵的增加，符合熵增加原理．反之，水聚到盆中的過程，屬于從無序向有序的轉化，即從高熵向低熵轉化，不符合熵增加原理，因此水不能自發(fā)地聚到盆中． 1．熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內分子平均動能大小一樣，系統(tǒng)越混亂無序程度越大，這個系統(tǒng)的熵就越大． 2．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(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． 3．對于絕熱或孤立的熱力學系統(tǒng)而言，所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進行．或者說，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減小，這就是熵增加原理．熵增加原理的適用對象是對于孤立系統(tǒng)，如果是非孤立系統(tǒng)，熵有可能減少． 4．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加． 4．在下列敘述中，正確的是(　　) A．熵是物體內分子運動無序程度的量度 B．對孤立系統(tǒng)而言，一個自發(fā)的過程中熵總是向減少的方向進行 C．熱力學第二定律的微觀實質是：熵總是增加的 D．熵值越大，表明系統(tǒng)內分子運動越無序 E．一個非孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展 【解析】　熵是物體內分子運動無序程度的量度，系統(tǒng)內分子運動越無序，熵值越大，故A、D正確；對孤立系統(tǒng)而言，一個自發(fā)的過程中熵總是向增加的方向進行，故B錯誤；根據熱力學第二定律，擴散、熱傳遞等現象與溫度有關，凡是與熱現象有關的宏觀過程，都具有方向性，其實質表明熵總是增加的，故C正確；對于一個非孤立的系統(tǒng)在與外界有能量交換時，其熵也有可能變小，故E錯誤． 【答案】　ACD 5．對于孤立體系中發(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 E．在自然的可逆過程中，孤立系統(tǒng)的總熵不變 【解析】　一個孤立系統(tǒng)自發(fā)發(fā)生的實際過程，系統(tǒng)的熵要么增大，要么不變，但不會減少，A正確，B錯誤；對于可逆的自然過程，總熵不變，E對；再根據熵的物理意義，它量度系統(tǒng)的無序程度，熵越大，無序程度越大，故C正確，D錯誤． 【答案】　ACE 熵的五點注意 (1)熵的微觀意義：熵是系統(tǒng)內分子熱運動無序性的量度． (2)熵是表示一個體系自由度的物理量．熵越大，表示在這個體系下的自由度越大，可能達到的狀態(tài)越多． (3)熵不是守恒的量，在孤立體系中經過一個不可逆過程，熵總是增加的． (4)熵的本質：熵是體系微觀混亂度的量度，混亂度越大，熵值也越大． (5)一個孤立系統(tǒng)的自然可逆過程中，總熵不變．