高中物理 第4章 熱力學(xué)定律與能量守恒 4_3 熱力學(xué)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(xué)第二定律 4．4　描述無序程度的物理量 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.知道熱傳遞及宏觀過程的方向性．(重點(diǎn)) 2．理解熱力學(xué)第二定律的兩種不同的表述，以及這兩種表述的物理實(shí)質(zhì)．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 3．明確什么是有序和無序，理解熱力學(xué)第二定律的微觀意義．(難點(diǎn)) 4．了解熵的概念. 熱力學(xué)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(jī) (1)定義：一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置． (2)理想熱機(jī)的工作原理：熱機(jī)從熱源吸收熱量Q1，推動(dòng)活塞做功W，然后向低溫?zé)嵩?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(jī)做的功W和它從熱源吸收的熱量Q1的比值叫做熱機(jī)效率，用η表示，即η＝. (4)熱機(jī)不可能把它得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，即效率不可能達(dá)到100%. 3．熱力學(xué)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(zhuǎn)化過程中具有方向性． (3)第三種表述：第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的． 1．溫度不同的兩個(gè)物體接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體．() 2．熱傳導(dǎo)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(jìn)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(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱量會(huì)自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高． 1．對熱力學(xué)第二定律的理解 (1)克勞修斯表述指明熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助，其物理本質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)楣Χ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化．其物理實(shí)質(zhì)揭示了功變熱過程是不可逆的． (3)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，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的． 2．熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律的關(guān)系 (1)關(guān)于滑動(dòng)摩擦力做功：熱力學(xué)第一定律中，滑動(dòng)摩擦力做功可以全部轉(zhuǎn)化為熱．熱力學(xué)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(guān)于熱量的傳遞：熱力學(xué)第一定律說明熱量可以從高溫物體自動(dòng)傳到低溫物體，而熱力學(xué)第二定律卻說明熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體． (3)關(guān)于能量：熱力學(xué)第一定律說明在任何過程中能量必守恒，熱力學(xué)第二定律卻說明并非所有能量守恒過程均能實(shí)現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移有方向性． (4)兩定律的關(guān)系：熱力學(xué)第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程中能量守恒的特殊表達(dá)形式，說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系；而第二定律指出了滿足能量轉(zhuǎn)化與守恒的過程不一定都能進(jìn)行，指出過程進(jìn)行具有方向性．其實(shí)質(zhì)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(dú)立，又相互補(bǔ)充． 3．第二類永動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) (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(chǎn)生其他影響的熱機(jī)． (2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 雖然第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但大量的事實(shí)證明，在任何情況下，熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱源，熱機(jī)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?zé)嵩矗茱@然，如果第二類永動(dòng)機(jī)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(jīng)濟(jì)不過的，因?yàn)楹Ｑ蟮膬?nèi)能實(shí)際上是取之不盡的． 4．兩類永動(dòng)機(jī)的比較 分類 第一類永動(dòng)機(jī) 第二類永動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì) 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(dòng)后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去) 將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個(gè)熱源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化) 不可能 的原因 違背了能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律 違背了熱力學(xué)第二定律 【說明】　宏觀能量的轉(zhuǎn)化效率不可能等于100%，也是熱力學(xué)第二定律的體現(xiàn)． 1．(2016唐山檢測)下列關(guān)于熱力學(xué)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(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的 C．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)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(yùn)動(dòng)的宏觀過程會(huì)有一定的方向性 【解析】　熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過程會(huì)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(cuò)誤，E正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)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(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，不可能從單一熱源吸收熱量使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響，所以機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，故C正確． 【答案】　BCE 2．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說法中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：35500043】 A．電流的電能不可能全部轉(zhuǎn)變成內(nèi)能 B．在火力發(fā)電中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔? C．在熱機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 D．在熱傳導(dǎo)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(zhuǎn)化為內(nèi)能，如純電阻電路，而燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為電能和機(jī)械能，故A錯(cuò)誤，B、C正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律關(guān)于熱傳導(dǎo)的描述知，D正確，E錯(cuò)誤． 【答案】　BCD 3．下列說法中正確的是(　　) A．機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是不可能的 B．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造成功的原因是因?yàn)槟芰考炔粫?huì)消失，也不會(huì)創(chuàng)生，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)化為另一種形式 D．根據(jù)熱力學(xué)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(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A錯(cuò)誤，B正確；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C錯(cuò)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(jìn)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(shí)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(xué)第二定律的方法 (1)理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，即自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．理解的關(guān)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(huì)達(dá)到100%的轉(zhuǎn)化而不產(chǎn)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(zhì) (1)擴(kuò)散現(xiàn)象的微觀本質(zhì)：擴(kuò)散現(xiàn)象中，由于氣體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)打亂了系統(tǒng)原來的有序分布，這個(gè)系統(tǒng)的無序程度增加了． (2)熱傳遞的微觀本質(zhì)：發(fā)生熱傳遞之前，兩個(gè)溫度不同的物體內(nèi)的分子按分子平均動(dòng)能的大小有序分布，一旦發(fā)生熱傳遞，兩個(gè)物體內(nèi)分子的平均動(dòng)能逐漸變成一個(gè)中間值，也就是說系統(tǒng)的無序程度增加了． (3)不管是擴(kuò)散現(xiàn)象還是熱傳遞，都說明宏觀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． 2．熵 (1)概念：熱力學(xué)系統(tǒng)處于任何一個(gè)狀態(tài)都對應(yīng)著一個(gè)熵，熵的大小表征著熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)雜亂無章的程度． (2)熱力學(xué)第二定律的又一種表述：任何一個(gè)孤立系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，熵永遠(yuǎn)不會(huì)減少． 3．無處不在的熵 (1)任何宏觀物質(zhì)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(xué)和社會(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)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(nèi)分子運(yùn)動(dòng)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(jié)合熵的變化解釋為什么水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中． 【提示】　由于盆的形狀確定，水在盆中時(shí)，空間位置和所占據(jù)的空間的體積一定，顯得“有序”“整齊”和“集中”，系統(tǒng)的熵低．當(dāng)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(jù)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(zhuǎn)化過程，導(dǎo)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(zhuǎn)化，即從高熵向低熵轉(zhuǎn)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(nèi)分子平均動(dòng)能大小一樣，系統(tǒng)越混亂無序程度越大，這個(gè)系統(tǒng)的熵就越大． 2．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，一個(gè)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(xué)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(jìn)行．或者說，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)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(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)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(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序程度的量度 B．對孤立系統(tǒng)而言，一個(gè)自發(fā)的過程中熵總是向減少的方向進(jìn)行 C．熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是：熵總是增加的 D．熵值越大，表明系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)越無序 E．一個(gè)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(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序程度的量度，系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)越無序，熵值越大，故A、D正確；對孤立系統(tǒng)而言，一個(gè)自發(fā)的過程中熵總是向增加的方向進(jìn)行，故B錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，擴(kuò)散、熱傳遞等現(xiàn)象與溫度有關(guān)，凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程，都具有方向性，其實(shí)質(zhì)表明熵總是增加的，故C正確；對于一個(gè)非孤立的系統(tǒng)在與外界有能量交換時(shí)，其熵也有可能變小，故E錯(cuò)誤． 【答案】　ACD 5．對于孤立體系中發(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(gè)孤立系統(tǒng)自發(fā)發(fā)生的實(shí)際過程，系統(tǒng)的熵要么增大，要么不變，但不會(huì)減少，A正確，B錯(cuò)誤；對于可逆的自然過程，總熵不變，E對；再根據(jù)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(cuò)誤． 【答案】　ACE 熵的五點(diǎn)注意 (1)熵的微觀意義：熵是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)無序性的量度． (2)熵是表示一個(gè)體系自由度的物理量．熵越大，表示在這個(gè)體系下的自由度越大，可能達(dá)到的狀態(tài)越多． (3)熵不是守恒的量，在孤立體系中經(jīng)過一個(gè)不可逆過程，熵總是增加的． (4)熵的本質(zhì)：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(gè)孤立系統(tǒng)的自然可逆過程中，總熵不變．