2018-2019版高中物理 第四章 能量守恒與熱力學(xué)定律 4 熱力學(xué)第二定律 5 初識(shí)熵課件 教科版選修3-3.ppt

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1、4 熱力學(xué)第二定律 5 初識(shí)熵,第四章 能量守恒與熱力學(xué)定律,學(xué)習(xí)目標(biāo),1.了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不能制成的原因. 2.能運(yùn)用熱力學(xué)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(duì)的，知道熵的概念. 4.了解熵增原理，知道它是熱力學(xué)第二定律的另一種表述.,內(nèi)容索引,重點(diǎn)探究 啟迪思維 探究重點(diǎn),達(dá)標(biāo)檢測(cè) 檢測(cè)評(píng)價(jià) 達(dá)標(biāo)過關(guān),自主預(yù)習(xí) 預(yù)習(xí)新知 夯實(shí)基礎(chǔ),自主預(yù)習(xí),一、熱力學(xué)第二定律,1.熱力學(xué)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：

2、不可能從單一熱源吸取熱量使之 變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響.闡述的是機(jī)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(shí)際上它們是 的，即由其中一個(gè)可以推導(dǎo)出另一個(gè).,低溫,高溫,方向性,全部,方向性,等效,3.熱力學(xué)第二定律的其他描述 (1)一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有 . (2)氣體向真空的自由膨脹是 的. (3)第二類永動(dòng)機(jī)是 (填“可能”或“不可能”)制成的. 4.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì) 熱力學(xué)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(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)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(dòng)機(jī)

3、 (1)定義：假設(shè)某一系統(tǒng)吸收空氣或海水中的熱量，對(duì)外部做有用功，而又返回到初態(tài).如此周而復(fù)始地反復(fù)進(jìn)行，永不停止，該系統(tǒng)稱為第二類永動(dòng)機(jī). (2)不可能制成的原因： 能量守恒定律，但 了熱力學(xué)第二定律.(均填“違反”或“不違反”),不違反,違反,1.對(duì)熵的認(rèn)識(shí) (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(shí)熵,有差異,有規(guī),則,集中,有序,無序,無序性,熵,小,

4、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(gè)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(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律.( ) (3)第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律.( ) (4)一個(gè)系統(tǒng)中個(gè)體排列的“有序”和“無序”是絕對(duì)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(xué)即用,答案,2.(1)

5、冰箱工作時(shí)，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(xué)第二定律. (2)兩個(gè)溫度不同的物體接觸時(shí)，熱量會(huì)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(gè)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(shí)說明，一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)_的方向進(jìn)行.,答案,不違反,無序性增大,重點(diǎn)探究,有人提出這樣一種設(shè)想，發(fā)明一種熱機(jī)，用它把物體與地面摩擦所產(chǎn)生的熱量都吸收過來并對(duì)物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使因摩擦停止運(yùn)動(dòng)的物體在地面上重新運(yùn)動(dòng)起來，而不引起其他變化.這是一個(gè)非常誘人的設(shè)想，這種設(shè)想并不違反能量守恒定律，如果真能造出這樣的熱機(jī)，那么

6、，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(jī)能制成嗎？為什么？,一、熱力學(xué)第二定律,導(dǎo)學(xué)探究,答案 不能.違背了熱力學(xué)第二定律.,答案,知識(shí)深化,1.在熱力學(xué)第二定律的表述中，“不可能”“不產(chǎn)生其他影響”的涵義 (1)關(guān)于“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱源吸收熱量對(duì)外做功，以及熱量從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩匆酝?，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何曲折復(fù)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(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響.如吸熱、放熱、做功等.,2.熱力學(xué)第二定律的意義 熱力學(xué)第

7、二定律已在物理、化學(xué)、生物等自然學(xué)科中有著重要的應(yīng)用，對(duì)我們認(rèn)識(shí)自然、利用自然有重要的指導(dǎo)意義. 特別提醒 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)：熱力學(xué)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(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.,例1 (多選)根據(jù)熱力學(xué)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(jī)是可以實(shí)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

8、遞到高溫物體，而不引起其他變化,答案,解析,解析 熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機(jī)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(jī)械能必須借助外部的幫助，即會(huì)引起其他變化，A選項(xiàng)正確，B選項(xiàng)錯(cuò)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(duì)系統(tǒng)做功)，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確.,針對(duì)訓(xùn)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(shí)現(xiàn)的 C.由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進(jìn)行 D.一切

9、物理過程都不可能自發(fā)地進(jìn)行,答案,解析,解析 能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程都是具有方向性的，A對(duì)； 第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但是不能實(shí)現(xiàn)，B錯(cuò)； 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(jìn)行，C對(duì)，D錯(cuò).,二、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的比較,1.兩個(gè)定律比較 熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)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(xué)第二定律是指在有限的時(shí)間和空間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程、化學(xué)過程都具有不可逆性.,2.兩類永動(dòng)機(jī)的比較,例2 關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列論述正確的是 A.熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與

10、其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)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(huì)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(shí)，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律,答案,解析,解析 熱力學(xué)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(xué)第二定律則指出內(nèi)能和其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化的方向性，兩者并不矛盾，選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)誤，B正確.,例3 下列說法正確的是 A.第二類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律 B.第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律 C.根據(jù)能量守

11、恒定律，經(jīng)過不斷的技術(shù)改造，熱機(jī)的效率有可能達(dá)到100% D.電冰箱和空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩?，違背了熱力 學(xué)第二定律,答案,解析,解析 第二類永動(dòng)機(jī)沒有違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，A錯(cuò)誤，B正確； 熱機(jī)的效率永遠(yuǎn)小于100%，因?yàn)橐虻蜏責(zé)嵩瓷?，C錯(cuò)誤； 電冰箱和空調(diào)機(jī)工作時(shí)，是通過壓縮機(jī)做功，來實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩吹礁邷責(zé)嵩吹膫鬟f，所以并沒有違背熱力學(xué)第二定律，D錯(cuò)誤.,三、初識(shí)熵,(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？,導(dǎo)學(xué)探究,答案 閱兵式圖片較有序，清明上河圖較無序.,答案,圖1,答案 自發(fā)過程總是

12、向著無序性增大的方向進(jìn)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(kuò)散，由有序變?yōu)闊o序，這些現(xiàn)象都說明了什么問題？,知識(shí)深化,1.熵的概念 (1)熵是系統(tǒng)無序度的量度 “有序”和“無序”是相對(duì)而言的，是從有序程度上講的，熵越高，意味著宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)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)過程總是從有序向無序變化.因?yàn)殪厥窍到y(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(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)熵值.如一塊完整的玻璃有一

13、熵值，打碎的玻璃另有一個(gè)熵值.,2.熵增原理熱力學(xué)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(shí)際發(fā)生過程的必然趨勢(shì).即一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進(jìn)行. 特別提醒 客觀過程的方向性具有統(tǒng)計(jì)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(guān)于熱力學(xué)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(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng) B.熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的

14、 過程 C.熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序程度大 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 D.一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行,答案,解析,解析 分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個(gè)無序的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)熵增原理，熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為

15、無序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過程，體現(xiàn)了熱傳遞的方向性.,例5 下列關(guān)于熵的說法中錯(cuò)誤的是 A.熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度 B.在自然過程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的 C.熱力學(xué)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 一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義.系統(tǒng)的熱力學(xué)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(gè)孤立系統(tǒng)的熵值不會(huì)減小，因此熱力學(xué)第二定律又稱為熵增原理.故A、B、D說法正確，C說法錯(cuò)誤.,答案,解析,達(dá)標(biāo)檢測(cè),1.(熱力學(xué)第二定律的理解)下列說法正確的是 A.

16、機(jī)械能全部變成內(nèi)能是不可能的 B.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造成功是因?yàn)槟芰考炔粫?huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì) 憑空消失，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化 成另一種形式 C.根據(jù)熱力學(xué)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,1,2,3,4,解析,解析 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A錯(cuò)； 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造成功是因?yàn)樗`背了熱力學(xué)第二定律，故B錯(cuò)； 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(jìn)行的，故C錯(cuò)； 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(shí)

17、也引起了其他的變化，是可能的，故D項(xiàng)對(duì).,1,2,3,4,2.(熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)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(jī)工作時(shí)，強(qiáng)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(shí)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(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?yàn)槠湎?耗了電能 C.電冰箱的工作原理不違背熱力學(xué)第一定律 D.電冰箱的工作原理違背了熱力學(xué)第一定律,答案,解析,1,2,3,4,解析 熱力學(xué)第一定律適用于所有的熱學(xué)過程，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤； 熱量不能自發(fā)

18、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(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確.,1,2,3,4,3.(熱力學(xué)第二定律的微觀意義)下列關(guān)于熱力學(xué)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(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律 B.一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行 C.有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過程 沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行 D.在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵會(huì)減小,答案,1,2,3,4,解析,1,2,3,4,解析 熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，A對(duì)； 從熱力學(xué)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(yùn)動(dòng)無序程度增大的方向進(jìn)行，B、C錯(cuò)； 任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進(jìn)行，也就是熵增加的方向進(jìn)行，故D錯(cuò).,4.(熵增原理)(多選)關(guān)于孤立體系中發(fā)生的實(shí)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,1,2,3,4,解析 在孤立體系中發(fā)生的實(shí)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(cuò)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(cuò)誤.,