物理 第10章 熱力學(xué)定律 第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律 第5節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 新人教版選修3-3

《物理 第10章 熱力學(xué)定律 第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律 第5節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 新人教版選修3-3》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《物理 第10章 熱力學(xué)定律 第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律 第5節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 新人教版選修3-3（35頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、物 理選修選修3-3 人教版人教版第十章熱力學(xué)定律熱力學(xué)定律第四節(jié)熱力學(xué)第二定律第四節(jié)熱力學(xué)第二定律第五節(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋第五節(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋了解熱力學(xué)第二定律的多種表述了解熱力學(xué)第二定律的多種表述知道熱傳導(dǎo)及宏觀過(guò)程的方向性知道熱傳導(dǎo)及宏觀過(guò)程的方向性了解熱力學(xué)第二學(xué)定律的微觀解釋了解熱力學(xué)第二學(xué)定律的微觀解釋知道熵及熵增加原理知道熵及熵增加原理1 1課前預(yù)習(xí)課前預(yù)習(xí)2 2課內(nèi)探究課內(nèi)探究3 3素養(yǎng)提升素養(yǎng)提升4 4課堂達(dá)標(biāo)課堂達(dá)標(biāo)5 5課時(shí)作業(yè)課時(shí)作業(yè)課課 前前 預(yù)預(yù) 習(xí)習(xí) 1可逆與不可逆過(guò)程(熱傳導(dǎo)的方向性) 熱傳導(dǎo)的過(guò)程可以自發(fā)地由_物體向_物體進(jìn)行，但相反方向卻不能

2、_進(jìn)行，即熱傳導(dǎo)具有_性，是一個(gè)不可逆過(guò)程。 2熱力學(xué)第二定律的一種表述(克勞修斯表述) 熱量不能自發(fā)地從_物體傳遞到_物體。熱力學(xué)第二定律的一種表述熱力學(xué)第二定律的一種表述高溫高溫低溫低溫自發(fā)地自發(fā)地方向方向低溫低溫高溫高溫 1開(kāi)爾文表述 不可能從_吸收熱量，使之完全變成_，而不產(chǎn)生其他影響。 2熱力學(xué)第二定律的其他描述 (1)一切宏觀自然過(guò)程的進(jìn)行都具有_。 (2)氣體向真空的自由膨脹是_的。 熱力學(xué)第二定律的另一種表述熱力學(xué)第二定律的另一種表述單一熱庫(kù)單一熱庫(kù)功功方向性方向性不可逆不可逆 1有序 只要確定了某種規(guī)則，_這個(gè)規(guī)則的就叫做有序。 2無(wú)序 不符合某種_的稱為無(wú)序。 3宏觀態(tài) _

3、某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)。 4微觀態(tài) 在宏觀狀態(tài)下，符合_的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài)。有序和無(wú)序宏觀態(tài)和微觀態(tài)有序和無(wú)序宏觀態(tài)和微觀態(tài)符合符合確定規(guī)則確定規(guī)則符合符合另外另外 熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的_的方向進(jìn)行。氣體向真空的擴(kuò)散氣體向真空的擴(kuò)散無(wú)序性增大無(wú)序性增大 1熵 (1)微觀狀態(tài)的數(shù)目用表示，用S表示熵，則S_，k稱為玻耳茲曼常數(shù)。 (2)熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的_決定。從分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)_程度的定量量度。 2熵增加原理 在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵_，叫做熵增加原理。對(duì)

4、于其他情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。熵及熵增加原理熵及熵增加原理kln 狀態(tài)狀態(tài) 無(wú)序無(wú)序(混亂混亂) 不會(huì)減小不會(huì)減小 判一判 (1)機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。( ) (2)內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。( ) (3)能夠制成的熱機(jī)既不違背能量守恒定律，也不違背熱力學(xué)第二定律。( ) (4)一個(gè)系統(tǒng)中個(gè)體排列的“有序”和“無(wú)序”是絕對(duì)的。( ) (5)一個(gè)宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，則熵越大。( ) 選一選 下列說(shuō)法正確的是( ) A熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 B功可以完全變成熱，熱不能完全變成功 C改進(jìn)熱機(jī)的生產(chǎn)工藝，總有一天熱機(jī)的效率可以達(dá)到100% D氣體向真空的自由膨脹是不

5、可逆的 解析：在一定條件下熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，A錯(cuò)；在一定條件下熱可以全部變成功，B錯(cuò)；熱機(jī)的效率在任何條件下都不可能達(dá)到100%，C錯(cuò)；一切宏觀自然過(guò)程的進(jìn)行都具有方向性，D正確。D 想一想 成語(yǔ)語(yǔ)“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不可能再倒回盆中的。請(qǐng)從不同宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目不同這個(gè)角度，解釋為什么水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。 課課 內(nèi)內(nèi) 探探 究究 一種冷暖兩用型空調(diào)，銘牌標(biāo)注：輸入功率1kW，制冷能力1.2104kJ/h，制熱能力1.3104kJ/h。這樣，該空調(diào)在制熱時(shí)，每消耗1J電能，將放出3J多熱量，是指標(biāo)錯(cuò)誤還是能量不守恒？探究一熱力學(xué)第二定律的理解探究一熱力學(xué)第二

6、定律的理解 1單一熱庫(kù) 指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)。若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構(gòu)成機(jī)器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對(duì)外做功。據(jù)報(bào)道，有些國(guó)家已在研究利用海水上下溫度不同來(lái)發(fā)電。 2其他影響 指除了從單一熱庫(kù)吸收的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響；或者除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到相同的熱量外，其他一切影響和變化。不是不能從單一熱庫(kù)吸收熱量而對(duì)外做功，而是這樣做的結(jié)果，一定伴隨著其他變化或影響。同樣，也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產(chǎn)生其他影響的自動(dòng)熱傳遞是不可能的。 3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

7、庫(kù)吸收熱量對(duì)外做功，以及熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)以外，過(guò)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。 4適用條件 只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過(guò)程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴(kuò)展到無(wú)限的宇宙。 5兩種表述是等價(jià)的 兩種表述都揭示了熱現(xiàn)象宏觀過(guò)程的方向性。兩種表述可以相互推導(dǎo)。 根據(jù)熱力學(xué)定律，下列判斷正確的是( ) A我們可以把火爐散失到周圍環(huán)境中的能量全部收集到火爐中再次用來(lái)取暖 B利用淺層海水和深層海水間的溫度差制造出一種熱機(jī)，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這在原理上是可行的 C制冷系統(tǒng)能將冰箱內(nèi)的熱量傳給外界較高溫度的空氣，而

8、不引起其他變化 D滿足能量守恒定律的客觀過(guò)程都可以自發(fā)地進(jìn)行B 解題指導(dǎo)：利用熱力學(xué)第二定律解決問(wèn)題時(shí)： (1)明確熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的。其實(shí)質(zhì)是自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀物理過(guò)程都具有方向性。 (2)特別注意“不產(chǎn)生其他影響”和“產(chǎn)生其他影響”。熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，但要“產(chǎn)生其他影響”。 (3)熱機(jī)的效率總是小于1，因?yàn)樗傄虻蜏責(zé)嵩瓷帷?解析：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，所以不能把散失的能量全部收集起來(lái)重新加以利用，A錯(cuò)；由熱力學(xué)第二定律可知，B正確；熱量從低溫物體傳給高溫物體時(shí)一定會(huì)發(fā)生其他變化，C錯(cuò)；只滿足能量守恒定律而不滿足熱力學(xué)第二定律

9、的過(guò)程是不可能發(fā)生的，D錯(cuò)。 對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1 如圖中氣缸內(nèi)盛有定量的理想氣體，氣缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與氣缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣?，F(xiàn)將活塞桿與外界連接，使其緩慢地向右移動(dòng)，這樣氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)外做功。若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說(shuō)法正確的是( )C 解析：熱力學(xué)第二定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性來(lái)描述是：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化。本題中如果沒(méi)有外界的幫助，比如外力拉動(dòng)活塞桿使活塞向右移動(dòng)，使氣體膨脹對(duì)外做功，導(dǎo)致氣體溫度略微降低，是不可能從外界吸收熱量的，即這一過(guò)程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來(lái)對(duì)外做功，但引起了其他

10、變化，所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律。 如圖將一滴紅墨水滴入一杯清水中，紅墨水會(huì)逐漸擴(kuò)散到整杯水中，呈均勻分布，試說(shuō)明這個(gè)過(guò)程中熵的變化。 提示：墨水原來(lái)處于較小的空間(一滴)，無(wú)序度小，后來(lái)處于較大空間，無(wú)序度大，故熵變大。探究二對(duì)熱力學(xué)第二定律微觀意義的理解探究二對(duì)熱力學(xué)第二定律微觀意義的理解 1有序、無(wú)序的含義 (1)“無(wú)序”意味著各處一樣、平均、沒(méi)有差別，而有序則正好相反。 (2)“有序”與“無(wú)序”是相對(duì)的。 2熵的含義 “有序”和“無(wú)序”是相對(duì)而言的，是從有序程度上講的，熵是宏觀態(tài)無(wú)序程度的量度，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(wú)序，熵越低即越有序。 3熱力學(xué)第二定律

11、的微觀解釋 高溫物體和低溫物體中的分子都在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，但是高溫物體中分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率要大于低溫物體。所以在高溫物體分子與低溫物體分子的碰撞過(guò)程中，低溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)逐漸加劇，即低溫物體的溫度升高了。而高溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)減緩，即高溫物體的溫度降低了。所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來(lái)看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體。換一種角度看，初始我們根據(jù)溫度的高低來(lái)區(qū)分兩個(gè)物體，而終了狀態(tài)兩個(gè)物體上的溫度處處相同，無(wú)法區(qū)別，我們就說(shuō)系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了。 同理可知，在通過(guò)做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過(guò)程中，是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。 (多選)關(guān)于熱力學(xué)第二定

12、律的微觀意義，下列說(shuō)法正確的是( ) A大量分子無(wú)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(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程 C熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程 D一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行 解題指導(dǎo)：熱傳遞過(guò)程是大量分子由無(wú)序程度小轉(zhuǎn)化為無(wú)序程度大的過(guò)程，體現(xiàn)了自然過(guò)程的方向。CD 解析：分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏觀過(guò)程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個(gè)無(wú)序的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)熵增加原理，熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動(dòng)更加無(wú)序，而不是變成了有序，熱傳遞的自然過(guò)程從微觀上講就是大量分子從無(wú)

13、序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，C、D項(xiàng)正確。 對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練2 如圖，質(zhì)量、溫度相同的水，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(guān)系？為什么？ 答案：根據(jù)大量分子運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無(wú)序程度的影響，熱力學(xué)第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著無(wú)序程度增加的方向發(fā)展，至少無(wú)序程度不會(huì)減少。這也就是說(shuō)，任何一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會(huì)減少。質(zhì)量相同，溫度相同的水，可以由固體自發(fā)地向液體、氣態(tài)轉(zhuǎn)化，所以，氣態(tài)時(shí)的熵最大，其次是液體，固態(tài)時(shí)的熵最小。 素素 養(yǎng)養(yǎng) 提提 升升 1熱力學(xué)第二定律與第一定律的比較 2.兩類永動(dòng)機(jī)的比較 關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)的兩個(gè)定律，下列說(shuō)法正確的是( ) A第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律 B第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律 C由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，傳熱也不一定改變內(nèi)能，但同時(shí)做功和傳熱一定會(huì)改變內(nèi)能 D由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫(kù)吸收熱量，完全變成功也是可能的D 解析：第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第一定律可知當(dāng)W0，Q0時(shí)，UWQ可以等于0，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知選項(xiàng)D中現(xiàn)象是可能的，但一定會(huì)產(chǎn)生其他影響，選項(xiàng)D正確。