2019年高中物理第十章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋學(xué)案(新人教版)選修3-3.doc

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2019年高中物理第十章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋學(xué)案(新人教版)選修3-3 [學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.通過自然界中傳熱的方向性等實(shí)例，初步了解熱力學(xué)第二定律，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)移以及宏觀自然過程的方向性問題.3.了解有序和無序，知道宏觀態(tài)和微觀態(tài)．知道熵的概念，了解熵增加原理． 一、熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述 [導(dǎo)學(xué)探究]　熱傳遞的方向性能否簡單理解為“熱量不會(huì)從低溫物體傳給高溫物體”？ 答案　不能．兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高，這個(gè)過程是自發(fā)進(jìn)行的，不需要任何外界的影響或者幫助，有時(shí)我們也能實(shí)現(xiàn)熱量從低溫物體傳給高溫物體，如電冰箱，但這不是自發(fā)地進(jìn)行的，需要消耗電能． [知識梳理] (1)熱傳導(dǎo)的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的． (2)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：德國物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述，闡述的是傳熱的方向性． 二、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述 [導(dǎo)學(xué)探究]　如圖1所示是制冷機(jī)和熱機(jī)的工作過程示意圖，通過此圖思考以下問題： 圖1 (1)制冷機(jī)工作時(shí)熱量是自發(fā)地從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒靻幔? (2)熱機(jī)工作時(shí)能否將從高溫?zé)釒煳盏臒崃咳坑脕碜龉Γ? 答案　(1)不是　(2)不能 [知識梳理] (1)熱機(jī) ①熱機(jī)工作的兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能．第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對外做功，把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能． ②熱機(jī)的效率η：熱機(jī)輸出的機(jī)械功與燃料產(chǎn)生的熱量的比值，用公式表示為η＝.熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%. (2)開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響．(該表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性) (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(dòng)機(jī)是不可能制成的． (4)第二類永動(dòng)機(jī) ①定義：只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)． ②第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因：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)熱庫，熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)釒欤? 三、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 [導(dǎo)學(xué)探究]　 (1)如圖2所示，一個(gè)箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有4個(gè)氣體分子a、b、c、d，右室為真空，撤去擋板后，氣體自由擴(kuò)散，以箱子內(nèi)的4個(gè)分子為模型，說明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學(xué)第二定律說明，氣體擴(kuò)散后4個(gè)分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情況． 圖2 (2)試著從無序的角度談?wù)勆厦鎲栴}中為什么“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，能否由此得出熱力學(xué)第二定律的微觀意義？ 答案　(1)可能的宏觀態(tài)有：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目：1、4、6、4、1.不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中分子分布的最大一種可能情況是左2右2，最小一種可能情況是左0右4或左4右0. (2)從無序的角度看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無序運(yùn)動(dòng)的分子組成的．因?yàn)槿魏螣崃W(xué)過程都伴隨著分子的無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對于左、右兩室這一個(gè)整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就變得無序了．我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個(gè)室中，另一個(gè)室變成真空的可能性最?。畬?shí)際上，當(dāng)氣體系統(tǒng)中分子個(gè)數(shù)相當(dāng)多時(shí)，撤去擋板后實(shí)際上我們只能看到氣體向真空中擴(kuò)散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室中的現(xiàn)象．因此，氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的，綜上可知，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． [知識梳理] (1)有序和無序：一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個(gè)體分布沒有(選填“有”或“沒有”)確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序． (2)宏觀態(tài)和微觀態(tài)：系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)． 一個(gè)“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無序的． (3)熱力學(xué)第二定律的微觀意義 ①氣體向真空的擴(kuò)散：氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的． ②熱力學(xué)第二定律的微觀意義：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． (4)熵及熵增加原理 ①熵：表達(dá)式S＝kln Ω，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個(gè)宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目，S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度，稱為熵． ②熵增加原理：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小. 一、對熱力學(xué)第二定律的理解 在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不可能”“不產(chǎn)生其他影響”的涵義 1．“自發(fā)地”是指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性．在傳遞過程中不會(huì)對其他物體產(chǎn)生影響或不需借助其他物體提供能量等． 2．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)，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝猓^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． 3．“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響．如吸熱、放熱、做功等． 例1　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遞到高溫物體，而不引起其他變化 答案　AD 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(外界對系統(tǒng)做功)，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確． (1)一切物理過程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理過程不一定均能實(shí)現(xiàn). (2)熱力學(xué)第二定律的兩種表述分別對應(yīng)著一種“不可能”，但都有一個(gè)前提條件“自發(fā)地”或“不產(chǎn)生其他影響”，如果去掉這種前提條件，就都是有可能的.例如電冰箱的作用就是使熱量從低溫物體傳到高溫物體，等溫膨脹就是從單一熱庫吸收熱量，使之完全用來做功.但不是自發(fā)的或是產(chǎn)生了其他影響. 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)過程具有不可逆性． (2)兩類永動(dòng)機(jī)的比較： 第一類永動(dòng)機(jī)：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)． 第二類永動(dòng)機(jī)：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)． (3)第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)都不可能制成 第一類永動(dòng)機(jī)的設(shè)想違背了能量守恒定律；第二類永動(dòng)機(jī)的設(shè)想不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律． 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　B 解析　熱力學(xué)第一定律是能量守恒在熱現(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　第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)?　　) A．違背了能量守恒定律 B．違背了熱力學(xué)第二定律 C．機(jī)械能不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 D．內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不產(chǎn)生其他影響 答案　BD 三、熱力學(xué)第二定律的微觀意義 1．熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 (1)熱傳遞的方向性：高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(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)象角度來看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體． (2)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的方向性：在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，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)化的過程． 2．熱力學(xué)第二定律的微觀意義：熱力學(xué)第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過程都只能在一個(gè)方向上發(fā)生，而不會(huì)可逆地在相反的方向上出現(xiàn)．它指出在能量得以平衡的眾多過程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生． 3．對熵的四點(diǎn)理解 (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． 例4　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　CD 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，總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，即無序性增加的過程. (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 答案　C 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加原理．故A、B、D說法正確，C說法錯(cuò)誤. 1．(熱力學(xué)第二定律的理解)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．一切不違反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．一切物理過程都不可能自發(fā)地進(jìn)行 答案　AC 解析　熱力學(xué)第二定律指出了熱現(xiàn)象的方向性，而同時(shí)也指出了發(fā)生這些單一方向的過程的條件——自發(fā)，這也就說明了這些過程中的一些，其逆過程在某些條件下是可以發(fā)生的，但也有的是不可能發(fā)生的． 2．(熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用)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(nèi)能必定增加 C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`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(xué)第二定律 答案　D 解析　根據(jù)熱力學(xué)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(shí)，壓縮機(jī)工作，消耗了電能，同時(shí)熱量由冰箱內(nèi)的低溫物體傳遞到冰箱外的高溫物體，所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤；外界對物體做功的同時(shí)，物體可能放熱，物體的內(nèi)能不一定增加，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，并不違背能量守恒定律，但它違背了熱力學(xué)第二定律中熱機(jī)效率必小于1的表述，因此它不可能制成，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電冰箱雖然從低溫物體吸收了熱量，但產(chǎn)生了其他影響，消耗了電能，選項(xiàng)D正確． 3．(熱力學(xué)定律的理解)關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學(xué)規(guī)律，下列說法中正確的是(　　) A．隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并最終達(dá)到絕對零度 B．熱量是不可能從低溫物體傳遞給高溫物體的 C．熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是相互獨(dú)立的 D．熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的 答案　CD 4．(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　A 解析　熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，A對；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)．所以選A. 5．(熵)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)的總熵只能增大，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　AC 解析　在孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過程，其系統(tǒng)的總熵是增加的，它不可能減小，故選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤．根據(jù)熵增加原理，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，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤．