第3、4節(jié)　熱力學(xué)第二定律　熵-系統(tǒng)無序程度的量度

第3、4節(jié)熱力學(xué)第二定律熵——系統(tǒng)無序程度的量度核心素養(yǎng)點擊物理觀念1.了解熱力學(xué)第二定律的內(nèi)涵。2.知道自然界宏觀過程的方向性。3.了解熵的概念和熵增加原理。4.了解能量與能源的區(qū)別以及能源的有限性?？茖W(xué)思維1.知道與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程的方向性。2.能用熱力學(xué)第二定律解釋常見的不可逆過程?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任能依據(jù)道德規(guī)范評價物理技術(shù)的應(yīng)用，具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。1．填一填(1)可逆過程和不可逆過程①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(dá)另一狀態(tài)，如果存在另一過程，它能使

和

完全復(fù)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，則

過程稱為可逆過程。②不可逆過程：如果用任何方法都不能使

與

完全復(fù)原，則原來的過程稱為不可逆過程。系統(tǒng)外界原來的系統(tǒng)外界(2)熱傳導(dǎo)的方向性①熱量可以自發(fā)地由

物體傳給

物體，或者由物體的

部分傳給____部分。②熱量不能自發(fā)地由

物體傳給

物體，或者由物體的

部分傳給____部分。③熱傳遞是

過程，具有

。(3)功和熱相互轉(zhuǎn)化的方向性①功轉(zhuǎn)化為熱這一熱現(xiàn)象是

的，具有

。②熱轉(zhuǎn)化為功這一熱現(xiàn)象也是

的，具有

。(4)結(jié)論：凡是與

有關(guān)的宏觀過程都具有

。高溫低溫高溫低溫低溫高溫低溫高溫不可逆方向性不可逆方向性不可逆方向性熱現(xiàn)象方向性2．判一判(1)溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體。

(

)(2)一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的微觀自然過程都是不可逆的。

(

)(3)在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體。

(

)3．想一想兩個不同的物體接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發(fā)地”的含義是什么？提示：“自發(fā)地”的含義是沒有任何外界影響或者其他幫助?！獭痢?．填一填(1)克勞修斯表述：不可能使熱量從

傳向

而不引起其他變化。(說明熱傳導(dǎo)的方向性)(2)開爾文表述：不可能從

吸取熱量，使之完全用來

而不引起其他變化。(說明機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)(3)第二類永動機不可能制成①第二類永動機是指人們設(shè)想的從單一熱源吸取

并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他變化的機器。②熱力學(xué)第二定律也可以表述為：第二類永動機是

實現(xiàn)的。低溫物體高溫物體單一熱源做功熱量不可能2．判一判(1)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。

(

)(2)第二類永動機違反了能量守恒定律。

(

)(3)只要對內(nèi)燃機不斷改進(jìn)，就可以把內(nèi)燃機得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。(

)√××3．想一想我們假想：發(fā)明一種熱機，并用來對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動能，而不引起其他變化。這是否可能？提示：熱機不能把它得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，因為熱機必須有熱源和冷凝器，熱機工作時，總要向冷凝器放熱，不可避免地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量Q，即使是理想熱機，沒有摩擦，沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。1．填一填(1)有序和無序：一個系統(tǒng)的個體按確定的

，有順序地排列即有序；對個體的分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序。(2)熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)：與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然發(fā)生的宏觀過程總是沿著大量分子熱運動無序程度

的方向進(jìn)行。(3)熵：用來量度系統(tǒng)

的物理量。(4)熵增加原理：在孤立系統(tǒng)中的宏觀過程必然朝著

的方向進(jìn)行。(5)熵與能量退降：在熵增加的同時，一切不可逆過程總是使得能量從

狀態(tài)轉(zhuǎn)化為

狀態(tài)，即能量的品質(zhì)退化了。某種規(guī)則增大無序程度熵增加可利用不可利用2．判一判(1)對任何一件事物，如果規(guī)定得越多，限制越多，它的無序性就越大。

(

)(2)熵值越大，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序。

(

)(3)能量退降使能量的總量減少，違背了能量守恒定律。

(

)×××3．想一想成語“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不可能再倒回盆中的，請從不同宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目不同這個角度，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，水在盆中所處的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目少，較為有序。當(dāng)把水潑出后，它的形狀不受盆的限制，各種可能的形狀都有，此時所處的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目將變得非常多，較為無序。因為自發(fā)的宏觀過程總是從有序向無序發(fā)展，所以水不會自發(fā)地聚到盆中。如圖是熱量在傳遞過程中的情景。

討論：(1)在自然過程中熱量是如何傳遞的？提示：熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調(diào)和冰箱是如何傳遞熱量的？提示：空調(diào)和冰箱可以通過電機做功，把熱量從溫度比較低的房間內(nèi)或冰箱內(nèi)傳遞到房間外或冰箱外。

[重難釋解]1．對熱力學(xué)第二定律的理解(1)“不引起其他變化”——外界不需要做功，或者熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而外界及系統(tǒng)都不發(fā)生任何變化。(2)“單一熱源”——指溫度恒定而均勻的熱源。若一熱源各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構(gòu)成機器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功。據(jù)報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。(3)“不可能”——實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時，除了從單一熱源吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩匆酝?，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何的辦法都不可能加以消除。2．熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。3．熱力學(xué)過程方向性實例4．熱力學(xué)第二定律的其他表述(1)一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過程都具有方向性。(2)第二類永動機是不可能實現(xiàn)的。[解析]在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，消耗了電能，產(chǎn)生了焦耳熱，所以房間溫度不僅不能降低還會升高，故A不可能發(fā)生；蒸汽機不可能把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，轉(zhuǎn)化過程中必然存在能量耗散，故B不可能發(fā)生；一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C可能發(fā)生；在熱傳導(dǎo)中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，D可能發(fā)生。[答案]

AB對熱力學(xué)第二定律理解的兩個誤區(qū)(1)誤認(rèn)為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體，不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，也可以由低溫物體傳到高溫物體；但是，前者可以自發(fā)完成，而后者則必須有外界參與。(2)誤認(rèn)為機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機械能。機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機械能；但是，前者可以不產(chǎn)生其他影響，而后者一定會產(chǎn)生其他影響。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)下列說法正確的是

(

)A．一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過程都具有方向性B．一切不違背能量守恒定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的C．由熱力學(xué)第二定律可以判斷涉及熱現(xiàn)象的物理過程能否自發(fā)進(jìn)行D．一切物理過程都不可能自發(fā)地進(jìn)行解析：由熱力學(xué)第二定律知，一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過程都是具有方向性的，A正確；第二類永動機不違背能量守恒定律，但是不能實現(xiàn)，B錯誤；在熱傳遞過程中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但其逆過程不可能自發(fā)地進(jìn)行，C正確，D錯誤。答案：AC

2．關(guān)于永動機和熱力學(xué)定律，下列敘述正確的是

(

)A．第二類永動機違背能量守恒定律B．如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內(nèi)能一定增加C．外界對物體做功，則物體的內(nèi)能一定增加D．做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點來看，這兩種改變方式是有區(qū)別的解析：第二類永動機違背了熱力學(xué)第二定律，并不違背能量守恒定律，故A錯誤；據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W知，內(nèi)能的變化由做功和熱傳遞兩個方面共同決定，只知道做功情況或只知道傳熱情況無法確定內(nèi)能的變化情況，故B、C錯誤；做功和熱傳遞都可改變物體內(nèi)能，但做功是不同形式能的轉(zhuǎn)化，而熱傳遞是同種形式能的轉(zhuǎn)移，這兩種方式是有區(qū)別的，故D正確。答案：D

3．(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說法正確的是

(

)A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，但熱能不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能D．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，熱能也可能全部轉(zhuǎn)化為機械能解析：由熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述知，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，當(dāng)外界對系統(tǒng)做功時，也可以使熱量從低溫物體傳到高溫物體，冰箱就是這樣的裝置，故A錯誤，B正確；機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如在水平地面上運動的物體，克服摩擦阻力做功，最終靜止，這個過程中機械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，如在等溫膨脹過程中，系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外界做的功，故C錯誤，D正確。答案：BD

交通與工業(yè)廢氣及噪聲對環(huán)境的污染；工業(yè)和生活垃圾、廢水對環(huán)境的污染；交通擁擠和堵塞造成的道路混亂。以上現(xiàn)象中的熵是怎么變化的？提示：熵增加。

[重難釋解]1．熵和熵增加原理(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)系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少。也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是由熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行。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發(fā)展，不會使熵減小。(3)任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有一定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過程中產(chǎn)生或傳遞。2．熱力學(xué)第二定律的微觀意義(1)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方向上發(fā)生，而不會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。(2)自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時間的方向性。所以，“熵”又常常被稱為“時間箭頭”。[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、C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(jìn)行，故B錯誤；能量退降是指能量的可利用率越來越低，但能量仍然是守恒的，故D錯誤。[答案]

AC熵的幾點注意事項(1)熵是表示一個體系自由度的物理量。熵越大，表示在這個體系下的自由度越大，可能達(dá)到的狀態(tài)越多。(2)熵不是守恒的量，在孤立體系中經(jīng)過一個不可逆過程，熵總是增加的。

(3)熵改變的過程中，能量必然是守恒的。(4)一個孤立系統(tǒng)的自然可逆過程中，總熵不變。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)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．從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(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(jìn)行C．有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進(jìn)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：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動無序程度增大的方向進(jìn)行，我們知道熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，故A正確，B、C錯誤；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進(jìn)行，也就是朝著熵增加的方向進(jìn)行，故D正確。答案：AD

2．(多選)下列說法中不正確的是

(

)A．在任何自然過程中，一切參與者的總能量和總熵保持不變B．熵?zé)o處不在，是系統(tǒng)有序程度的量度C．一切不可逆過程在熵增加的同時，總是伴隨著能量退降D．由熱力學(xué)第二定律可知，自然界的能量品質(zhì)正在退化，可利用的能量越來越少解析：在任何自然過程中由能量守恒可知，一切參與者的總能量保持不變，由熵增加原理知熵增加，故A錯誤；熱力學(xué)系統(tǒng)的每一個過程，都有一個熵值，它是用來量度系統(tǒng)無序程度的物理量，故B錯誤；熵增加的同時，一切不可逆過程總是使能量逐漸喪失做功的本領(lǐng)，從可用狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不可用狀態(tài)，使可利用的能量越來越少，故C、D正確。答案：AB

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自人教版新教材課后練習(xí))以下哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生、哪些不能發(fā)生？能夠發(fā)生的現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律？(1)一杯熱茶自然放置，茶會自動變得更熱。(2)蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機械能。(3)桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離。(4)電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體。提示：(1)不能發(fā)生。因為熱傳遞具有方向性。(2)不能發(fā)生。因為能量轉(zhuǎn)化具有方向性。(3)能發(fā)生。不違背熱力學(xué)第二定律。(4)能發(fā)生。該過程是通過壓縮機做功實現(xiàn)熱量從低溫物體傳到高溫物體，不違背熱力學(xué)第二定律。二、注重學(xué)以致用和思維建模1.17世紀(jì)70年代，英國賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設(shè)計了一種磁力“永動機”，其結(jié)構(gòu)如圖所示，在斜面頂端放一塊強磁鐵M，斜面上、下端各有一個小孔P、Q，斜面下有一個連接兩小孔的彎曲軌道。維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底放一個鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會沿斜面向上運動，當(dāng)球運動到P孔時，它會漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時球具有速度所以可以對外做功，然后鐵球又被磁鐵吸引回到上端，到P處又漏下……對于這個設(shè)計，下列判斷正確的是

(

)A．滿足能量守恒定律，所以可行B．不滿足熱力學(xué)第二定律，所以不可行C．不滿足機械能守恒定律，所以不可行D．不滿足能量守恒定律，所以不可行解析：該裝置可以持續(xù)不斷地對外做功，違背了能量守恒定律，故不可行，D正確。答案：D

2．(多選)如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是

(

)A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．電冰箱消耗電能，其制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱