熱力學(xué)第二定律 熵——無序程度的量度

1、第3節(jié)熱力學(xué)第二定律第4節(jié)熵?zé)o序程度的量度學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識 脈 絡(luò)1.了解熱傳導(dǎo)及宏觀過程的方向性(重點(diǎn))2了解熱力學(xué)第二定律的多種表述，并用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因(重點(diǎn))3了解熵的概念及熵增加原理，并能解釋生活中的有關(guān)現(xiàn)象(難點(diǎn))自然過程的方向性熱力學(xué)第二定律的表述1自然過程的方向性(1)可逆過程和不可逆過程可逆過程一個(gè)系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程到達(dá)另一狀態(tài)，如果存在另一過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時(shí)消除原來過程對外界的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程不可逆過程如果用任何方法都不能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原，則原來的過程稱為不可逆過程

2、(2)熱傳導(dǎo)的方向性熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體，或者由物體的高溫部分傳給低溫部分熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體熱傳遞是不可逆過程，具有方向性(3)功和熱相互轉(zhuǎn)變的方向性功轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇@一熱現(xiàn)象是不可逆的，具有方向性熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣@一熱現(xiàn)象也是不可逆的，具有方向性(4)結(jié)論凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性2熱力學(xué)第二定律的表述(1)第一種表述(克勞修斯表述)不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化(說明熱傳導(dǎo)的方向性)(2)第二種表述(開爾文表述)不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓?說明機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)熱力學(xué)第二定律的這兩種表述是等價(jià)的

3、熱現(xiàn)象的宏觀過程是不可逆的(3)第二類永動(dòng)機(jī)定義從單一熱源吸取熱量并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成第二類永動(dòng)機(jī)并不違背熱力學(xué)第一定律，但違背了熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律的又一表述第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的1第一類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律()2機(jī)械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，內(nèi)能不可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?×)3在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體()(1)有可能制成第二類永動(dòng)機(jī)嗎？【提示】第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，盡管機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化；機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性(2)請舉出日常生活中的一些不可逆過程【提示】

4、破鏡不能重圓水從高山流到河谷，不可能自己再返回高山一滴墨水滴入一杯清水中，墨水?dāng)U散均勻后，不可能再自動(dòng)地凝聚成一滴墨水探討1：一杯熱水放在教室里，熱水中的熱量會(huì)自發(fā)地傳遞給空氣其中“自發(fā)地”的含義是什么？【提示】“自發(fā)地”是指沒有受到任何外界影響或者干擾探討2：空調(diào)和電冰箱工作時(shí)，熱量從低溫物體傳遞給高溫物體電冰箱和空調(diào)違反熱力學(xué)第二定律嗎？為什么？【提示】不違反；因?yàn)檫@不是自發(fā)的過程，這個(gè)過程必須有第三者的介入，即必須開動(dòng)空調(diào)、電冰箱的壓縮機(jī)消耗電能1對兩種表述的理解(1)熱力學(xué)第二定律的兩種表述看上去似乎沒有什么聯(lián)系，然而實(shí)際上它們是等價(jià)的，即由其中一個(gè)，可以推導(dǎo)出另一個(gè)(2)“不引起其他

5、變化”是指使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體時(shí)外界不消耗任何功或從單一熱源吸收熱量全部用來做功而外界及系統(tǒng)都不發(fā)生任何變化(3)克勞修斯表述是說熱量不能自動(dòng)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體如果外界消耗一定量的功，把熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體是完全可能的，如電冰箱和空調(diào)機(jī)的制冷過程(4)開爾文表述表明了在引起其他變化或產(chǎn)生其他影響的條件下，熱量能夠完全轉(zhuǎn)化為功，如理想氣體的等溫自由膨脹，內(nèi)能不變，吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為功，但卻引起了體積的膨脹2熱力學(xué)第二定律的普遍性熱力學(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

6、圖5­3­13熱力學(xué)第二定律的推廣對任何一類宏觀自然過程進(jìn)行方向的說明，都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述例如，在圖5­3­1中，盒子中間有一個(gè)擋板，左室為真空，右室有氣體撤去擋板后，右室的氣體自發(fā)向左室擴(kuò)散，而相反的過程不可能自發(fā)地進(jìn)行因此，熱力學(xué)第二定律也可以表述為：氣體向真空的自由膨脹是不可逆的1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

7、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，不可能從單一熱源取熱使之完全轉(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】BCE2根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說法中正確的是()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)殡娔蹸在熱機(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

8、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】BCD3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强赡艿摹窘馕觥繖C(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A錯(cuò)誤，

9、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)生其他影響熵1有序與無序(1)溫度高低的區(qū)別在于分子的平均動(dòng)能不同熱傳導(dǎo)這個(gè)不逆過程使無

10、序程度增加了(2)熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)：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2熵和熵增加原理(1)熵的定義用來量度系統(tǒng)無序程度的物理量叫做熵(2)熵增加原理在孤立系統(tǒng)中，一切不可逆過程必然朝著熵增加的方向進(jìn)行，孤立系統(tǒng)是指與外界既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換的系統(tǒng)3無處不在的熵在熵增加的同時(shí)，一切不可逆過程總是使得能量逐漸喪失做功的本領(lǐng)，從可利用狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不可利用狀態(tài)，能量品質(zhì)退化了，這種現(xiàn)象稱為能量退降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

11、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)地聚到盆中探討1：熵的大小與無序性的大小有什么關(guān)系？【提示】熵值越大其無序性越大探討2：在自然過程中，孤立系統(tǒng)的熵一定增大嗎？【提示】在自然過程

12、中，孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展1對熵的理解(1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，這個(gè)系統(tǒng)的熵就越大(2)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2對熵增加原理的理解(1)對于孤立的熱力學(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(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，熵值越大代表著越無序，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4在下列敘述中，正

13、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能量耗散說明能量在不斷減小【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；能量耗散是指能量的可利用率越來越低，但能量仍然是守恒的，故E錯(cuò)誤【答案】ACD5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】根據(jù)熵增加原理，一個(gè)孤立系統(tǒng)發(fā)生的實(shí)際過程，總熵只能增大，A正確，B錯(cuò)誤；對于可逆的自然過程，總熵不變，E