新教材高中物理選擇性學(xué)案第3章第3節(jié)熱力學(xué)第二定律第4節(jié)熵系統(tǒng)無序程度的量度

第3節(jié)熱力學(xué)第二定律第4節(jié)熵——系統(tǒng)無序程度的量度學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道熱傳導(dǎo)及宏觀過程的方向性．2.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]知道熱力學(xué)第二定律的多種表述，并了解用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因．3.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]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．一、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①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(duì)外界的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程．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)熱傳導(dǎo)的方向性①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．②熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體．③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①功轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇@一熱現(xiàn)象是不可逆的，具有方向性．②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．(說明熱傳遞的方向性)(2)第二種表述(開爾文表述)不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全用來做功而不引起其他變化．(說明功熱轉(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．熱現(xiàn)象的宏觀過程是不可逆的．(3)第二類永動(dòng)機(jī)①定義從單一熱源吸取熱量并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其他影響的機(jī)器．②第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成第二類永動(dòng)機(jī)雖然不違背熱力學(xué)第一定律，但違背了熱力學(xué)第二定律．③熱力學(xué)第二定律的又一表述第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的．二、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．熱傳遞這個(gè)不可逆過程使無序程度增加了．(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(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作熵．(2)熵增加原理在孤立系統(tǒng)中的宏觀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，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．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(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)化為內(nèi)能，內(nèi)能不可以轉(zhuǎn)化為功． (×)(3)在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體． (√)(4)熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度． (√)(5)在自然過程中熵總是增加的． (√)(6)熵值越大代表越有序． (×)熱力學(xué)第二定律的理解(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？(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：(1)“自發(fā)地”是指沒有受到任何外界影響或者干擾．(2)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(duì)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(shí)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．3．熱力學(xué)第二定律的推廣對(duì)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．【例1】(多選)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)械能而不產(chǎn)生其他影響D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的BC[熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過程都有一定的方向性，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；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，不可能從單一熱源吸熱使之完全轉(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．]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．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)下列說法正確的是()A．機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是不可能的B．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C．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D．從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣κ强赡艿腃D[機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A錯(cuò)誤；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B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C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D正確．]熵成語“覆水難收”指一盆水潑出后是不可能再回到盆中的，請(qǐng)結(jié)合熵的變化解釋為什么水不會(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．1．對(duì)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(duì)熵增加原理的理解(1)對(duì)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?。@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．【例2】(多選)對(duì)于孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過程，下列說法正確的是()A．系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小B．系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向無序的狀態(tài)發(fā)展C．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D．在自然的可逆過程中，孤立系統(tǒng)的總熵不變ABD[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；對(duì)于可逆的自然過程，總熵不變，D正確；再根據(jù)熵的物理意義，它量度系統(tǒng)的無序程度，熵越大，無序程度越大，故B正確，C錯(cuò)誤．]關(guān)于熵的四點(diǎn)注意(1)熵的微觀意義：熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度．(2)熵不是守恒的量，孤立體系經(jīng)過一個(gè)不可逆過程，熵總是增加的．(3)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．(4)一個(gè)孤立系統(tǒng)在自然可逆過程中，總熵不變．[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．(多選)在下列敘述中，正確的是()A．熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序程度的量度B．對(duì)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ACD[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(duì)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．]1．(多選)關(guān)于有序和無序，下列說法正確的是()A．有序和無序是絕對(duì)的B．一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對(duì)應(yīng)著許多的“微觀態(tài)”C．一個(gè)“宏觀態(tài)”只能對(duì)應(yīng)著唯一的“微觀態(tài)”D．無序意味著各處一樣、平均、沒有差別BD[因?yàn)闊o序是各處都一樣、平均、沒有差別，故D項(xiàng)正確；而有序和無序是相對(duì)的，故A項(xiàng)錯(cuò)；一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對(duì)應(yīng)著許多的“微觀態(tài)”，B項(xiàng)正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤．]2．(多選)關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列說法正確的是()A．空調(diào)既能制熱又能制冷，說明熱傳遞不存在方向性B．“第二類永動(dòng)機(jī)”不可能制成因?yàn)樗`反了能量守恒定律C．自然發(fā)生的熱傳遞過程是向著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行的D．自然界進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，是不可逆的CD[空調(diào)制熱和制冷都會(huì)消耗電能，不是自發(fā)進(jìn)行的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；“第二類永動(dòng)機(jī)”不可能制成是因?yàn)樗`反了熱力學(xué)第二定律，不違反能量守恒定律，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；根據(jù)熵增加原理，自然發(fā)生熱傳遞過程是向著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行的，選項(xiàng)C正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，自然界進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，是不可逆的，選項(xiàng)D正確．]3．(多選)關(guān)于氣體向真空擴(kuò)散的規(guī)律，正確的是()A．氣體分子數(shù)越少，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大B．氣體分子數(shù)越大，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大C．?dāng)U散到真空中的分子在整個(gè)容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大D．氣體向真空中擴(kuò)散時(shí)，總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行ACD[氣體分子向真空中擴(kuò)散時(shí)，分子數(shù)越少，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越大，分子數(shù)越多，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越小，A正確，B錯(cuò)誤；擴(kuò)散到真空中的分子在整個(gè)容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)最多，并且這一宏觀態(tài)的無序性最強(qiáng)，C、D正確．]4．(多選)從微觀角度看()A．熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B．一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵大的狀態(tài)向熵小的狀態(tài)發(fā)展C．一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)越多，越是無序，熵值越大D．出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大ACD[由熵增加原理“一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增