2018-2019版高中物理 第四章 能量守恒與熱力學定律 4 熱力學第二定律 5 初識熵學案 教科版選修3-3.doc

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4　熱力學第二定律 5　初識熵 [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化、轉移以及方向性問題.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． 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：不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響．闡述的是熱傳遞的方向性． (2)開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量使之全部變?yōu)橛杏玫墓Χ划a生其他影響．闡述的是機械能與內能轉化的方向性． 2．兩種表述是等效的 兩種表述看上去似乎沒有聯系，然而實際上它們是等效的，即由其中一個可以推導出另一個． 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方向性． (2)氣體向真空的自由膨脹是不可逆的． (3)第二類永動機是不可能(填“可能”或“不可能”)制成的． 4．熱力學第二定律的實質 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象的宏觀過程都具有方向性． 5．第二類永動機 (1)定義：假設某一系統吸收空氣或海水中的熱量，對外部做有用功，而又返回到初態(tài)．如此周而復始地反復進行，永不停止，該系統稱為第二類永動機． (2)不可能制成的原因：不違反能量守恒定律，但違反了熱力學第二定律．(均填“違反”或“不違反”) 二、初識熵 1．對熵的認識 (1)方向性 不可逆過程總是系統從有差異的狀態(tài)向無差異的均勻狀態(tài)過渡，從有規(guī)則向無規(guī)則過渡，從集中向分散過渡． (2)有序、無序 把系統的有差異的不均勻、有規(guī)則、集中說成有序，把系統的無差異的均勻、無規(guī)則、分散說成無序． (3)熵 代表系統的無序性程度．無序性大，熵大；無序性小，熵?。? 2．熵增原理 (1)內容 孤立系統的熵總是增加的，或者孤立系統的熵總不減少． (2)公式 ①ΔS表示過程中熵的變化，則熵增原理可以表示為：ΔS≥0. ②ΔS＝0表示系統處于平衡態(tài)，ΔS>0表示孤立系統的任何一個過程熵總是增加的． (3)適用條件：孤立系統． [即學即用] 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Γ?√) (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)孤立系統的總熵可能增大，也可能減?。?) 2．(1)冰箱工作時，能把冰箱內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，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　(1)不違反　(2)無序性增大 一、熱力學第二定律 [導學探究]　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生的熱量都吸收過來并對物體做功，將內能全部轉化為動能，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？ 答案　不能．違背了熱力學第二定律． [知識深化] 1．在熱力學第二定律的表述中，“不可能”“不產生其他影響”的涵義 (1)關于“不可能”：實際上熱機或制冷機系統循環(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)“不產生其他影響”是指發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環(huán)境不產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 熱力學第二定律已在物理、化學、生物等自然學科中有著重要的應用，對我們認識自然、利用自然有重要的指導意義． 特別提醒　熱力學第二定律的實質：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象的宏觀過程都具有方向性． 例1　(多選)根據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的 C．制冷系統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　AD 解析　熱力學第二定律揭示了與熱現象有關的物理過程的方向性，機械能和內能的轉化過程具有方向性，機械能可以全部轉化為內能，而內能要全部轉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(外界對系統做功)，故C選項錯誤，D選項正確． 針對訓練　(多選)下列說法中正確的是(　　) A．一切涉及熱現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　AC 解析　能量轉移和轉化的過程都是具有方向性的，A對；第二類永動機不違背能量守恒定律，但是不能實現，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 熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的具體表現形式，在轉化的過程中，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，一切和熱現象有關的物理過程、化學過程都具有不可逆性． 2．兩類永動機的比較 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) 不可制成的原因 違背能量守恒定律 違背熱力學第二定律 例2　關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能可以與其他形式的能相互轉化，而熱力學第二定律則指出內能不可能完全轉化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的 B．內能可以全部轉化為其他形式的能，只是會產生其他影響，故兩條定律并不矛盾 C．兩條定律都是有關能量轉化的規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質區(qū)別 D．其實，能量守恒定律已經包含了熱力學第一定律和熱力學第二定律 答案　B 解析　熱力學第一定律是能量守恒定律在熱現象中的體現，而熱力學第二定律則指出內能和其他形式的能發(fā)生轉化的方向性，兩者并不矛盾，選項A、C、D錯誤，B正確． 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．根據能量守恒定律，經過不斷的技術改造，熱機的效率有可能達到100% D．電冰箱和空調機工作時，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　B 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；電冰箱和空調機工作時，是通過壓縮機做功，來實現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 [導學探究]　(1)如圖1所示，一幅是閱兵式的圖片，另一幅是清明上河圖(局部)，從這兩幅圖中我們看出了什么？ 圖1 (2)固體自發(fā)地熔化為液體、固體結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，這些現象都說明了什么問題？ 答案　(1)閱兵式圖片較有序，清明上河圖較無序． (2)自發(fā)過程總是向著無序性增大的方向進行． [知識深化] 1．熵的概念 (1)熵是系統無序度的量度 “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 系統的自發(fā)過程總是從有序向無序變化．因為熵是系統無序度的量度，所以可以用熵作為一切不可逆過程的共同判據． (3)熵是系統狀態(tài)的函數 系統的一個狀態(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——熱力學第二定律的另一種表述 孤立系統的熵總是增加的，或者孤立系統的熵總不減少． ①“孤立系統”是指與外界既沒有物質的交流，也沒有能量的交換，即與外界沒有任何聯系的系統． ②熵增是孤立系統內部實際發(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　客觀過程的方向性具有統計意義，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，而不可能相反． 例4　(多選)關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　CD 解析　分子熱運動是大量分子的無規(guī)則運動，系統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，根據熵增原理，熱運動的結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)轉化的過程，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)轉化為無序程度大的運動狀態(tài)的過程，體現了熱傳遞的方向性． 例5　下列關于熵的說法中錯誤的是(　　) A．熵是系統內分子運動無序性的量度 B．在自然過程中一個孤立系統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 答案　C 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：在任何自然過程中，一個孤立系統的熵值不會減小，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. 1.(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生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉移到另一個物體，或從一種形式轉化成另一種形式 C．根據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　D 解析　機械能可以全部轉化為內能，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． 2．(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，吸收箱體內的熱量，經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2 A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內傳到冰箱外 B．電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能 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　BC 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做功，選項A錯誤，B正確． 3．(熱力學第二定律的微觀意義)下列關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．在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵會減小 答案　A 解析　熱力學第二定律是一個統計規(guī)律，A對；從熱力學第二定律的微觀本質看，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)(多選)關于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是(　　) A．系統的總熵不可能減小 B．系統的總熵可能增大，可能不變，還可能減小 C．系統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　AC 解析　在孤立體系中發(fā)生的實際過程，其系統的總熵總是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯誤；根據熵增原理，該系統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． 一、選擇題 考點一　熱力學第二定律的理解 1．關于熱力學第二定律，下列說法正確的是(　　) A．熱力學第二定律是通過實驗總結出來的實驗定律 B．熱力學第二定律是通過大量自然現象的不可逆性總結出來的經驗定律 C．熱力學第二定律是物理學家從理論推導得出來的結果 D．熱力學第二定律沒有理論和實驗的依據，因此沒有實際意義 答案　B 解析　熱力學第二定律是物理學家通過對大量自然現象的分析，又總結了生產和生活經驗得到的結論，是一個經驗定律，它并不能通過理論和實驗來證明，但它符合客觀事實，因此是正確的．它揭示了熱現象宏觀過程的方向性，使人們認識到第二類永動機不可能制成，對我們認識自然和利用自然有著重要的指導意義． 2．下列說法正確的是(　　) A．熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體 B．外界對物體做功，物體的內能必定增加 C．第二類永動機不可能制成，是因為違背了能量守恒定律 D．電冰箱雖然可以從低溫物體吸收熱量，但不違反熱力學第二定律 答案　D 解析　根據熱力學第二定律，熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體，在發(fā)生其他變化的前提下，熱量可以由低溫物體傳遞到高溫物體，例如電冰箱制冷時，壓縮機工作，消耗了電能，同時熱量由冰箱內的低溫物體傳遞到冰箱外的高溫物體，所以選項A錯誤；外界對物體做功的同時，物體可能放熱，物體的內能不一定增加，所以選項B錯誤；第二類永動機不可能制成，并不違背能量守恒定律，但它違背了熱力學第二定律中熱機效率必小于1的表述，因此它不可能制成，所以選項C錯誤；電冰箱雖然從低溫物體吸收了熱量，但產生了其他影響，消耗了電能，選項D正確． 3．如圖1所示，汽缸內盛有一定質量的理想氣體，汽缸壁是導熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣，現將活塞桿緩慢向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并通過活塞對外做功．若已知理想氣體的內能只與溫度有關，則下列說法正確的是(　　) 圖1 A．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，此過程違反熱力學第二定律 B．氣體是從單一熱源吸熱，但并未全部用來對外做功，此過程不違反熱力學第二定律 C．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，此過程不違反熱力學第二定律 D．以上三種說法都不對 答案　C 解析　由于汽缸壁是導熱的，外界溫度不變，活塞桿與外界連接并使其緩慢地向右移動的過程中，有足夠時間進行熱交換，所以汽缸內的氣體溫度也不變．要保持其內能不變，該過程氣體是從單一熱源即外部環(huán)境吸收熱量，即全部用來對外做功才能保證內能不變，但此過程不違反熱力學第二定律．此過程由外力對活塞做功來維持，如果沒有外力對活塞做功，此過程不可能發(fā)生． 考點二　熵增原理 4．(多選)下列關于晶體熔化的說法中正確的是(　　) A．在晶體熔化的過程中，溫度不變，分子熱運動的平均速率不變，則無序程度不變 B．晶體熔化時，由分子的平衡位置在空間較為規(guī)則排列，變?yōu)榉肿拥钠胶馕恢幂^為無序排列，則無序度增大 C．在晶體熔化的過程中，熵將保持不變 D．在晶體熔化的過程中，熵將增加 答案　BD 5．(多選)關于熵，下列說法中正確的是(　　) A．熵值越大，意味著系統越“混亂”和“分散”，無序程度越高 B．熵值越小，意味著系統越“混亂”和“分散”，無序程度越高 C．熵值越大，意味著系統越“整齊”和“集中”，也就是越有序 D．熵值越小，意味著系統越“整齊”和“集中”，也就是越有序 答案　AD 考點三　綜合應用 6．(多選)關于熱力學定律，下列說法正確的是(　　) A．為了增加物體的內能，必須對物體做功或向它傳遞熱量 B．對某物體做功，必定會使該物體的內能增加 C．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉? D．功轉變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程 答案　ACD 解析　由ΔU＝W＋Q可知做功和熱傳遞是改變內能的兩種途徑．它們具有等效性，故A正確，B錯誤；由熱力學第二定律可知，可以從單一熱源吸收熱量，使之全部變?yōu)橛杏霉Γ珪a生其他影響，故C正確；一切與熱現象有關的宏觀過程都是不可逆的，故D正確． 7．關于熱力學定律，下列說法正確的是(　　) A．在一定條件下物體的溫度可以降到0K B．物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做有用功 C．吸收了熱量的物體，其內能一定增加 D．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高 答案　B 解析　絕對零度只能無限趨近，永遠無法達到，A錯誤；物體從單一熱源吸收的熱量可以全部用來做有用功，只不過會引起其他變化，B正確；內能的變化決定于做功和熱傳遞兩個方面，C、D錯誤． 8．(多選)根據你學過的熱學中的有關知識，判斷下列說法中正確的是(　　) A．機械能可以全部轉化為內能，內能也可以全部用來做功轉化成機械能 B．凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體 C．盡管技術不斷進步，熱機的效率仍不能達到100% D．第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，隨著科技的進步和發(fā)展，第二類永動機可以制造出來 答案　AC 解析　機械能可以全部轉化為內能，而內能在引起其他變化時也可以全部轉化為機械能，A選項正確；凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，也能從低溫物體傳遞給高溫物體，但必須借助外界的幫助，B選項錯誤；盡管科技不斷進步，熱機的效率仍不能達到100%，機械總要消耗能量，C選項正確；第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，但是違背熱力學第二定律，第二類永動機不可能制造出來，D選項錯誤． 二、非選擇題 9．(熵增原理)質量相同、溫度相同的水，如圖2所示分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關系？為什么？ 圖2 答案　見解析 解析　根據大量分子運動對系統無序程度的影響，熱力學第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統自發(fā)變化時，總是向著無序程度增大的方向進行，至少無序程度不會減小．這也就是說，任何一個系統自發(fā)變化時，系統的熵要么增加，要么不變，但不會減少．質量相同、溫度相同的水，可以由固態(tài)自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉化，所以，氣態(tài)時的熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時的熵最?。?