物理新粵教選修33講義第三章第四節(jié)熱力學第二定律

第四節(jié)熱力學其次定律1．自然界發(fā)生的過程肯定遵守熱力學第肯定律，但遵守熱力學第肯定律的過程不肯定能發(fā)生，由于它不能說明自然界過程進行的方向，熱力學其次定律就是反映自然界過程進行方向和條件的定律。2．熱傳導過程中，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，但人們從來沒有發(fā)覺熱量自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，這說明熱傳導過程具有方向性，要想使熱量從低溫物體傳給高溫物體，必需借助外界的作用。3．機械能和內能的轉化過程具有方向性，機械能轉化為內能是可以自發(fā)進行的，而相反過程不能自發(fā)進行，要將內能全部轉化為機械能，必定會引起其他影響。4．其次類永動機不行能制成，它是指從單一熱源吸熱全部用來對外做功又不引起其他變化，把得到的內能全部轉化為機械能，效率到達100%的熱機。5．熱力學其次定律常見的有兩種表述，克勞修斯的表述是依據熱傳導的方向性表述的，開爾文的表述是依據機械能與內能轉化過程的方向性表述的，兩種表述是等價的。6．從微觀看，熱力學其次定律說明：與熱現象有關的自發(fā)的宏觀過程，總是朝著分子熱運動狀態(tài)無序性增加的方向，即熵增大的方向進行的。熱力學其次定律1．熱力學其次定律的概念反映自然界過程進行方向和條件的定律。2．自然過程的方向性(1)熱傳導：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而低溫物體不行能自發(fā)地將熱量傳給高溫物體，要實現低溫物體向高溫物體傳遞熱量，必需借助外界的關心，因而產生其他影響或引起其他變化。(2)機械能和內能的轉化過程：物體在水平面上運動，因摩擦而漸漸停止下來，但絕不行能消失物體汲取原來傳遞出去的熱量后，在地面上重新運動起來。要想將內能全部轉化為機械能，必定會引起其他影響。(3)氣體的集中現象：兩種不同的氣體可以自發(fā)地進入對方，最終成為勻稱的混合氣體，但這種勻稱的混合氣體，決不會自發(fā)地分開，成為兩種不同的氣體，除非使用物理或化學手段，但這必定要引起其他的變化。(4)氣體向真空的膨脹：氣體可自發(fā)地向真空容器內膨脹，但絕不行能消失氣體自發(fā)地沉著器中流出，使容器內變?yōu)檎婵?。假設借助于抽氣機就能實現，但要引起其他變化。(5)在整個自然界中，無論是有生命的還是無生命的，全部的宏觀自發(fā)過程都有方向性，都是一種不行逆過程。3．其次類永動機(1)定義：從單一熱源吸熱全部用來做功，而不引起其他變化，把它得到的內能全部轉化為機械能，熱機效率達100%。這種想象中的熱機稱為其次類永動機。(2)其次類永動機不行能制成的緣由盡管這類永動機不違反熱力學第肯定律，也不違反能量守恒定律，但由于內能全部轉化為機械能不能自發(fā)地進行，所以由單一熱源吸熱把內能全部轉化為機械能而不引起其他變化的這類永動機是不行能造成的。4．熱力學其次定律(1)兩種表述：①克勞修斯表述：熱量不能自動地從低溫物體傳遞到高溫物體，或表述為，不行能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化。即熱傳導的過程具有方向性。②開爾文表述：不行能從單一熱源汲取熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。即機械能與內能的轉化具有方向性。(2)對熱力學其次定律的理解：①兩種表述的等效性。如下圖，熱機工作時從高溫熱源汲取的熱量Q,只有一局部用來做功W，轉變?yōu)闄C械能，另一局部熱量要排放給低溫熱源(冷凝器或大氣)假如熱量能自發(fā)地從低溫熱源傳到高溫熱源，即違反熱力學其次定律的克勞修斯表述，那么就可以把高溫熱源排放給低溫熱源的那局部熱量傳到高溫熱源中，這樣熱機就能從單一熱源汲取熱量，使之完全變成有用功，而不產生其他影響，即違反了熱力學其次定律的開爾文表述。②熱力學其次定律的實質。揭示了大量分子參加的宏觀過程的方向性。如機械能可以全部轉化為內能，內能卻不行能全部轉化為機械能而不引起其他變化，進一步揭示了各種物質運動形式的轉化過程都具有方向性。告誡人們：其次類永動機不行能制成。熱力學其次定律有多種表述形式。③定律中幾個關鍵詞的理解?！白园l(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。在傳遞過程中不會對其他物體產生影響或借助其他物體供應能量等。“不引起其他變化〞的含義是使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體或從單一熱源汲取熱量全部用來做功，不須通過第三者的關心。這里的關心是指供應能量等方式?！安恍心塄暭劝◤膯我粺嵩醇橙崃咳坑脕韺ν庾龉?、熱量從低溫熱源傳到高溫熱源，也包括過程產生的其他變化，即不管用任何手段都不行能消退其他變化。(1)熱機工作對外做功時，必需有兩個熱源，即高溫熱源和低溫熱源，低溫熱源中的物質總帶走一局部熱量，因此，無論如何熱機的效率不行能到達100%。(2)熱力學第肯定律說明白功、熱量與內能轉變的定量關系，是能量守恒的特別形式，而其次定律指出了能量轉化與守恒能否實現的條件和過程進行的方向，兩者相互、相互補充，都是熱力學的理論根底。1．熱力學定律說明自然界中進行的熱現象的宏觀過程()A．有的只遵守熱力學第肯定律B．有的只遵守熱力學其次定律C．有的既不遵守熱力學第肯定律，也不遵守熱力學其次定律D．全部的都遵守熱力學第一、其次定律解析：選D熱力學第一、其次定律是熱力學的根本定律，對全部涉及熱現象的宏觀過程都成立，D對，A、B、C錯。熱力學其次定律的微觀實質熵1．熱力學其次定律的微觀理解(1)有序和無序：確定某種規(guī)那么后，符合這個規(guī)那么的就是有序的，不符合這個規(guī)那么和要求的分布就是無序的，無序意味著各處都一樣、平均、沒有差異；而有序那么正好相反，有序和無序是相對的。(2)熱力學其次定律的微觀解釋：①系統(tǒng)的熱力學過程就是大量分子無序運動狀態(tài)的變化。從微觀看，在通過做功使系統(tǒng)內能增加的過程中，自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉化的過程，但其逆過程卻不能自發(fā)地進行，即不行能由大量分子無規(guī)那么的熱運動自發(fā)轉變?yōu)橛行蜻\動。②高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(guī)那么的熱運動，但是高溫物體中分子熱運動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，低溫物體分子運動的猛烈程度會漸漸加劇，即低溫物體的溫度上升了。而高溫物體分子運動的猛烈程度會減緩，即高溫物體的溫度降低了。所以從宏觀熱現象角度來看，熱傳導具有方向性，到達熱平衡后，物體內局部子熱運動猛烈程度趨向全都，原來那種分子按動能大小有序分布的狀態(tài)變?yōu)槿糠肿酉嗤臒o序狀態(tài)，因此，系統(tǒng)的無序性增加了。(3)熱力學其次定律的微觀實質：與熱現象有關的自發(fā)的宏觀過程，總是朝著分子熱運動狀態(tài)無序性增加的方向進行的。2．熵(1)熵的物理意義：熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內分子平均動能大小一樣。系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個系統(tǒng)的熵越大。(2)熱力學系統(tǒng)中熵的變化：系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著無序程度增加的方向開展，至少無序程度不會削減。從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著熵增加的方向進行，不會使熵減小。(1)任何宏觀物質系統(tǒng)都有肯定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過程中產生或傳遞。(2)不要認為熵總在增大，一個孤立系統(tǒng)在由一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的過程中，總熵不會減小，在自發(fā)地不行逆過程中熵增加，假設過程可逆，熵是不變的。2．以下關于熵的說法中錯誤的選項是()A．熵是系統(tǒng)內分子運動無序性的量度B．在自然過程中一個孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的C．熱力學其次定律也叫做熵減小原理D．熵值越大代表越無序解析：選C一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學其次定律的微觀意義。系統(tǒng)的熱力學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，一個孤立系統(tǒng)的熵值不會減小，因此熱力學其次定律又稱為熵增加原理。因此A、B、D說法正確，C說法錯誤。熱力學其次定律的應用[例1]隨著世界經濟的快速開展，能源短缺問題日顯突出，近期油價不斷攀升，已對各國人民的日常生活造成了各種影響，如排長隊等待加油的情景已經屢次在世界各地發(fā)生，能源成為困擾世界經濟開展的重大難題之一，以下有關能量轉化的說法中正確的選項是()A．不行能從單一熱源汲取熱量并把它全部用來做功，而不引起其他的變化B．只要對內燃機不斷改良，就可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能C．滿意能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)地進行D．外界對物體做功，物體的內能必定增加[解析]由熱力學其次定律的開爾文表述可知A對；熱機效率總低于100%，B錯；滿意能量守恒的過程未必能自發(fā)進行，任何過程肯定滿意熱力學其次定律，C錯；由熱力學第肯定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不肯定大于0，即內能不肯定增加，D錯。[答案]A借題發(fā)揮解答這類問題要留意以下三點：(1)留意熱力學其次定律的克勞修斯及開爾文表述的完整性，不能斷章取義。(2)熱力學第肯定律與熱力學其次定律的區(qū)分與聯(lián)系。(3)內能轉變的兩種方式。熱力學其次定律的微觀實質[例2][多項選擇]關于熱力學其次定律的微觀實質，以下說法正確的選項是()A．大量分子無規(guī)那么的熱運動能夠自動轉變?yōu)橛行蜻\動B．熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉化的過程C．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉化的過程D．一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行[解析]分子熱運動是大量分子的無規(guī)那么運動，系統(tǒng)的一個宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個無序的運動，依據熵增加原理，熱運動的結果只能使分子熱運動更加無序，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動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉化的過程。C、D項正確。[答案]CD借題發(fā)揮熱力學其次定律的實質是自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程具有方向性。熱力學其次定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向即熵增大的方向進行。1．以下說法中，正確的選項是()A．一切形式的能量間的相互轉化都具有方向性B．熱量不行能由低溫物體傳給高溫物體C．氣體的集中過程具有方向性D．一切形式的能量間的相互轉化都不具有可逆性解析：選C熱力學其次定律反映的全部與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，A、D錯；熱量不是不能從低溫物體傳給高溫物體，關鍵是能否還產生其他影響，B錯；氣體集中過程具有方向性，C對。2．我們絕不會看到：一個放在水平地面上的物體，靠降低溫度可以把內能自發(fā)地轉化為機械能，使這個物體運動起來，其緣由是()A．違反了能量守恒定律B．在任何條件下熱能都不行能轉化成機械能，只有機械能才能轉化成熱能C．機械能和內能的轉化過程具有方向性，內能轉化成機械能是有條件的D．以上說法均不正確解析：選C機械能和內能的轉化具有方向性，內能轉化為機械能必需通過做功來實現，故C正確。3．[多項選擇]關于熱傳導的方向性，以下說法中正確的選項是()A．熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體B．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體C．在肯定條件下，熱量也可從低溫物體傳給高溫物體D．熱量肯定不能從低溫物體傳給高溫物體解析：選AC熱量可自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體。熱量要從低溫物體傳給高溫物體，必需借助外界的作用。B、D錯誤，A、C正確。4．依據熱力學其次定律，以下推斷錯誤的選項是()A．電流的能不行能全部變?yōu)閮饶蹷．在火力發(fā)電機中，燃氣的內能不行能全部變?yōu)殡娔蹸．熱機中，燃氣內能不行能全部變?yōu)闄C械能D．在熱傳導中，熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體解析：選A依據熱力學其次定律可知，凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮饶?由電流熱效應中的焦耳定律可知)，而內能不行能全部變成電流的能。機械能可全部變?yōu)閮饶?，而內能不行能全部變成機械能，在熱傳導中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體。5．[多項選擇](2016·全國卷Ⅰ)關于熱力學定律，以下說法正確的選項是()A．氣體吸熱后溫度肯定上升B．對氣體做功可以轉變其內能C．抱負氣體等壓膨脹過程肯定放熱D．熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E．假如兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)到達熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定到達熱平衡解析：選BDE依據熱力學定律，氣體吸熱后假如對外做功，那么溫度不肯定上升，說法A錯誤。轉變物體內能的方式有做功和傳熱，對氣體做功可以轉變其內能，說法B正確。抱負氣體等壓膨脹對外做功，依據eq\f(pV,T)＝恒量知，膨脹過程肯定吸熱，說法C錯誤。依據熱力學其次定律，熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，說法D正確。兩個系統(tǒng)到達熱平衡時，溫度相等，假如這兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)到達熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定到達熱平衡，說法E正確。6．[多項選擇]下面關于熱力學其次定律微觀的說法正確的選項是()A．從微觀的角度看，熱力學其次定律是一個統(tǒng)計規(guī)律B．一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行C．有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行D．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小解析：選AD一切自然過程總是向著無序性增大(熵增大)的方向進行，應選項A、D正確。7．[多項選擇]如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，使制冷劑在冰箱內外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化汲取箱體內的熱量，經過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外，以下說法正確的選項是()A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是由于其消耗了電能C．電冰箱的工作原理不違反熱力學第肯定律D．電冰箱的工作原理違反熱力學第肯定律解析：選BC熱力學第肯定律適用于全部的熱學過程，C正確，D錯誤；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，要想使熱量從低溫物體傳到高溫物體必需借助于其他系統(tǒng)做功，A錯誤，B正確。8．如下圖氣缸內盛有定量的抱負氣體，氣缸壁是導熱的，缸外環(huán)境保持恒定，活塞與氣缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣?，F將活塞桿與外界連接使其緩慢地向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并通過桿對外做功。假設抱負氣體的內能只與溫度有關，那么以下說法正確的選項是()A．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，所以過程違反熱力學其次定律B．氣體是從單一熱源吸熱，但并未全用來對外做功，所以此過程不違反熱力學其次定律C．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但此過程不違反熱力學其次定律D．以上三種說法都不正確解析：選C外界溫度勻稱且恒定，符合單一熱源的觀念；又氣體溫度沒有變化，內能沒有變化，那么汲取的熱能的全部用來做功。但由于系統(tǒng)體積變化了，也就是說產生了其他影響，所以并沒有違反熱力學其次定律。9．依據熱力學定律，以下推斷正確的選項是()A．我們可以把火爐散失到四周環(huán)境中的能量全部收集到火爐中再次用來取暖B．利用淺層海水和深層海水間的溫度差制造出一種熱機，將海水的一局部內能轉化為機械能，這在原理上是可行的C．制冷系統(tǒng)能將冰箱內的熱量傳給外界較高溫度的空氣，而不引起其他變化D．滿意能量守恒定律的客觀過程都可以自發(fā)地進行解析：選B熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，所以說不能把散失的能量全部收集起來，A錯誤；依據熱力學其次定律，可知B正確；熱量從低溫物體傳給高溫物體時要