第5章-第3節(jié) 熱力學第二定律+第4節(jié) 熵——無序程度的量度

1、.第3節(jié)熱力學第二定律第4節(jié)熵無序程度的量度學 習 目 標知 識 脈 絡1.理解熱傳導及宏觀過程的方向性重點2理解熱力學第二定律的多種表述，并用熱力學第二定律解釋第二類永動機不可能制成的原因重點3理解熵的概念及熵增加原理，并能解釋生活中的有關(guān)現(xiàn)象難點自然過程的方向性熱力學第二定律的表述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系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程到達另一狀態(tài)，假如存在另一過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復原，即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時消除原來過程對外界的一切影響，那么原來的過程稱為可逆過程不可逆過程假如用任何方法都不能使系統(tǒng)與外界完全復原，那么原來的過程稱為不可逆過程2熱傳導的

2、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功和熱互相轉(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)論但凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性2熱力學第二定律的表述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的方向性2第二種表述開爾文表述不可能從單一熱源汲取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓f明機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性熱力學第二定律的這兩種表述是等價的熱現(xiàn)象的宏觀過程是不可逆的3第二類永動機定義從

3、單一熱源汲取熱量并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他影響的機器第二類永動機不可能制成第二類永動機并不違犯熱力學第一定律，但違犯了熱力學第二定律熱力學第二定律的又一表述第二類永動機是不可能制成的1第一類永動機違犯了能量守恒定律2機械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，內(nèi)能不可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?#215;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機嗎？【提示】第二類永動機不可能制成，盡管機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化；機械能和內(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】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

4、中，墨水擴散均勻后，不可能再自動地凝聚成一滴墨水討論1：一杯熱水放在教室里，熱水中的熱量會自發(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討論2：空調(diào)和電冰箱工作時，熱量從低溫物體傳遞給高溫物體電冰箱和空調(diào)違背熱力學第二定律嗎？為什么？【提示】不違背；因為這不是自發(fā)的過程，這個過程必須有第三者的介入，即必須開動空調(diào)、電冰箱的壓縮機消耗電能1對兩種表述的理解1熱力學第二定律的兩種表述看上去似乎沒有什么聯(lián)絡，然而實際上它們是等價的，即由其中一個，可以推導出另一個2“不引起其他變化是指使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體時外界不消耗任何功或從單一熱源吸收熱量全部用

5、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地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體假如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)機的制冷過程4開爾文表述說明了在引起其他變化或產(chǎn)生其他影響的條件下，熱量可以完全轉(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熱力學第二定律的普遍性熱力學第二定律的每一種表述都提醒了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認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，都是不可逆的圖5­3­13熱力學第二定律的推廣對任何一類宏觀自然過程進展方向的說明，

6、都可以作為熱力學第二定律的表述例如，在圖5­3­1中，盒子中間有一個擋板，左室為真空，右室有氣體撤去擋板后，右室的氣體自發(fā)向左室擴散，而相反的過程不可能自發(fā)地進展因此，熱力學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以下關(guān)于熱力學第二定律的說法正確的選項是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熱運動的宏觀過程會有一定的方向性【解析】熱運動的宏觀過程會有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏觀過程并不能都真的發(fā)

7、生，故A錯誤，E正確；根據(jù)熱力學第二定律，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錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，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)換成機械能，故C正確【答案】BCE2根據(jù)熱力學第二定律，以下說法中正確的選項是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，燃氣的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔蹸在熱機中，燃氣的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能D在熱傳導中，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

8、部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如純電阻電路，而燃氣的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為電能和機械能，故A錯誤，B、C正確；根據(jù)熱力學第二定律關(guān)于熱傳導的描繪知，D正確，E錯誤【答案】BCD3以下說法中正確的選項是A機械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是不可能的B機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會消失，也不會創(chuàng)生，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式D根據(jù)熱力學第二定律可知，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械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A錯誤，B正確；第二類永動機不可能制造成功是因為它違犯了熱力學第二定律，故C錯誤；熱量不能自發(fā)地從低

9、溫物體傳到高溫物體，但假如不是自發(fā)地，是可以進展的，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，但假如是從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣Φ耐瑫r也引起了其他的變化，是可能的，故E正確【答案】BDE理解熱力學第二定律的方法1理解熱力學第二定律的本質(zhì)，即自然界中進展的所有涉及熱現(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到達100%的轉(zhuǎn)化而不產(chǎn)生其他影響熵1有序與無序1溫度上下的區(qū)別在于分子的平均動能不同熱傳導這個不逆過程使無序程度增加了2熱力學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動無序程度增大的方向進展2熵和熵增

10、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展，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，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)分子運動無序性的量度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自發(fā)地聚到盆中【提示】由于盆的形狀確定，水在盆中時，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

11、熵低當把水潑出后，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)地聚到盆中討論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討論2：在自然過程中，孤立系統(tǒng)的熵一定增大嗎？【提示】在自然過程中，孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)開展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，這個系統(tǒng)的熵就越大2在任何自

12、然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，假如過程可逆，那么熵不變；假如過程不可逆，那么熵增加2對熵增加原理的理解1對于孤立的熱力學系統(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展或者說，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減小這就是熵增加原理2從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)開展，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開展4在以下表達中，正確的選項是A熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度B對孤立系統(tǒng)而言，一個自發(fā)的過程中熵總是向減少的方向進展C熱力學第二定律的微觀本質(zhì)是：熵總是增加的D熵值越大，說明

13、系統(tǒng)內(nèi)分子運動越無序E能量耗散說明能量在不斷減小【解析】熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度，系統(tǒng)內(nèi)分子運動越無序，熵值越大，故A、D正確；對孤立系統(tǒng)而言，一個自發(fā)的過程中熵總是向增加的方向進展，故B錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，擴散、熱傳遞等現(xiàn)象與溫度有關(guān)，但凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程，都具有方向性，其本質(zhì)說明熵總是增加的，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錯誤【答案】ACD5對于孤立體系中發(fā)生的實際過程，以下說法中正確的選項是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)開展D系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)開展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，一個孤立系統(tǒng)發(fā)生的實際過程，總熵只能增大，A正確，B錯誤；對于可逆的自然過程，總熵