2024-2025學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律4-5熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律的微觀解釋學(xué)案新人教版選修3-3

PAGE8-第四節(jié)熱力學(xué)其次定律第五節(jié)熱力學(xué)其次定律的微觀說明【素養(yǎng)目標(biāo)定位】※了解熱力學(xué)其次定律的多種表述※知道熱傳導(dǎo)及宏觀過程的方向性※了解熱力學(xué)其次學(xué)定律的微觀說明※知道熵及熵增加原理【素養(yǎng)思維脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋學(xué)問點1熱力學(xué)其次定律的一種表述1．可逆與不行逆過程(熱傳導(dǎo)的方向性)熱傳導(dǎo)的過程可以自發(fā)地由__高溫__物體向__低溫__物體進(jìn)行，但相反方向卻不能__自發(fā)地__進(jìn)行，即熱傳導(dǎo)具有__方向__性，是一個不行逆過程。2．熱力學(xué)其次定律的一種表述(克勞修斯表述)熱量不能自發(fā)地從__低溫__物體傳遞到__高溫__物體。學(xué)問點2熱力學(xué)其次定律的另一種表述1．開爾文表述不行能從__單一熱庫__汲取熱量，使之完全變成__功__，而不產(chǎn)生其他影響。2．熱力學(xué)其次定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有__方向性__。(2)氣體向真空的自由膨脹是__不行逆__的。學(xué)問點3有序和無序宏觀態(tài)和微觀態(tài)1．有序只要確定了某種規(guī)則，__符合__這個規(guī)則的就叫作有序。2．無序不符合某種__確定規(guī)則__的稱為無序。3．宏觀態(tài)__符合__某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫作熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)。4．微觀態(tài)在宏觀狀態(tài)下，符合__另外__的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫作這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。學(xué)問點4氣體向真空的擴散熱力學(xué)其次定律的微觀意義：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(jìn)行。學(xué)問點5熵及熵增加原理1．熵(1)微觀狀態(tài)的數(shù)目用Ω表示，用S表示熵，則S＝__klnΩ__，k稱為玻耳茲曼常數(shù)。(2)熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的__狀態(tài)__確定。從分子動理論的觀點來看，熵是分子熱運動__無序(混亂)__程度的定量量度。2．熵增加原理在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵__不會減小__，叫作熵增加原理。對于其他狀況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。辨析思索『判一判』(1)機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(√)(2)內(nèi)能不行能完全轉(zhuǎn)化為機械能。(×)(3)能夠制成的熱機既不違反能量守恒定律，也不違反熱力學(xué)其次定律。(√)(4)一個系統(tǒng)中個體排列的“有序”和“無序”是肯定的。(×)(5)一個宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，則熵越大。(√)(6)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。(√)『選一選』下列說法正確的是(D)A．熱量不能從低溫物體傳到高溫物體B．功可以完全變成熱，熱不能完全變勝利C．改進(jìn)熱機的生產(chǎn)工藝，總有一天熱機的效率可以達(dá)到100%D．氣體向真空的自由膨脹是不行逆的解析：在肯定條件下熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，A錯；在肯定條件下熱可以全部變勝利，B錯；熱機的效率在任何條件下都不行能達(dá)到100%，C錯；一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有方向性，D正確?！合胍幌搿怀烧Z“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不行能再倒回盆中的。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，說明為什么水不會自發(fā)地聚到盆中。答案：由于盆的形態(tài)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，它的形態(tài)不受盆的限制，各種可能的形態(tài)都有，此時所處的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目將變得特別多，較為無序。因為自發(fā)的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。課內(nèi)互動探究探究熱力學(xué)其次定律的理解┃┃思索探討1__■一種冷暖兩用型空調(diào)，銘牌標(biāo)注：輸入功率1kW，制冷實力1.2×104kJ/h，制熱實力1.3×104kJ/h。這樣，該空調(diào)在制熱時，每消耗1J電能，將放出3J多熱量，是指標(biāo)錯誤還是能量不守恒？提示：都不是。空調(diào)制冷(制熱)靠壓縮機做功，從室內(nèi)(室外)汲取熱量放到室外(室內(nèi))。在制熱時，放出的熱量等于消耗的電能與從室外汲取的熱量之和，完全可以大于電能消耗。這既不違反熱力學(xué)第肯定律，也不違反熱力學(xué)其次定律。┃┃歸納總結(jié)__■1．單一熱庫指溫度勻稱并且恒定不變的系統(tǒng)。若一系統(tǒng)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，有些國家已在探討利用海水上下溫度不同來發(fā)電。2．其他影響指除了從單一熱庫汲取的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響；或者除了從低溫物體汲取熱量、高溫物體得到相同的熱量外，其他一切影響和變更。不是不能從單一熱庫汲取熱量而對外做功，而是這樣做的結(jié)果，肯定伴隨著其他變更或影響。同樣，也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產(chǎn)生其他影響的自動熱傳遞是不行能的。3．關(guān)于“不行能”事實上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時，除了從單一熱庫汲取熱量對外做功，以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝猓^程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何曲折困難的方法都不行能加以消退。4．適用條件只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴展到無限的宇宙。5．兩種表述是等價的兩種表述都揭示了熱現(xiàn)象宏觀過程的方向性。兩種表述可以相互推導(dǎo)。┃┃典例剖析__■典例1依據(jù)熱力學(xué)定律，下列推斷正確的是(B)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，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)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(nèi)的熱量傳給外界較高溫度的空氣，而不引起其他變更D．滿意能量守恒定律的客觀過程都可以自發(fā)地進(jìn)行解題指導(dǎo)：利用熱力學(xué)其次定律解決問題時：(1)明確熱力學(xué)其次定律的兩種表述是等效的。其實質(zhì)是自然界中進(jìn)行的全部涉及熱現(xiàn)象的宏觀物理過程都具有方向性。(2)特殊留意“不產(chǎn)生其他影響”和“產(chǎn)生其他影響”。熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，但要“產(chǎn)生其他影響”。(3)熱機的效率總是小于1，因為它總要向低溫?zé)嵩瓷?。解析：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，所以不能把散失的能量全部收集起來重新加以利用，A錯；由熱力學(xué)其次定律可知，B正確；熱量從低溫物體傳給高溫物體時肯定會發(fā)生其他變更，C錯；只滿意能量守恒定律而不滿意熱力學(xué)其次定律的過程是不行能發(fā)生的，D錯。┃┃對點訓(xùn)練__■1．如圖中氣缸內(nèi)盛有定量的志向氣體，氣缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與氣缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣?，F(xiàn)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。若已知志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說法正確的是(C)A．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，因此此過程違反熱力學(xué)其次定律B．氣體從單一熱源吸熱，但并未全用來對外做功，所以此過程不違反熱力學(xué)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(xué)其次定律D．ABC三種說法都不對解析：熱力學(xué)其次定律從機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來描述是：不行能從單一熱源汲取熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變更。本題中假如沒有外界的幫助，比如外力拉動活塞桿使活塞向右移動，使氣體膨脹對外做功，導(dǎo)致氣體溫度略微降低，是不行能從外界汲取熱量的，即這一過程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但引起了其他變更，所以此過程不違反熱力學(xué)其次定律。探究對熱力學(xué)其次定律微觀意義的理解┃┃思索探討2__■如圖將一滴紅墨水滴入一杯清水中，紅墨水會漸漸擴散到整杯水中，呈勻稱分布，試說明這個過程中熵的變更。提示：墨水原來處于較小的空間(一滴)，無序度小，后來處于較大空間，無序度大，故熵變大。┃┃歸納總結(jié)__■1．有序、無序的含義(1)“無序”意味著各處一樣、平均、沒有差別，而有序則正好相反。(2)“有序”與“無序”是相對的。2．熵的含義“有序”和“無序”是相對而言的，是從有序程度上講的，熵是宏觀態(tài)無序程度的量度，熵越高，意味著宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，即越無序，熵越低即越有序。3．熱力學(xué)其次定律的微觀說明高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(guī)則的熱運動，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(xiàn)象角度來看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體。換一種角度看，初始我們依據(jù)溫度的凹凸來區(qū)分兩個物體，而終了狀態(tài)兩個物體上的溫度到處相同，無法區(qū)分，我們就說系統(tǒng)的無序程度增加了。同理可知，在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。┃┃典例剖析__■典例2(多選)關(guān)于熱力學(xué)其次定律的微觀意義，下列說法正確的是(CD)A．大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jìn)行解題指導(dǎo)：熱傳遞過程是大量分子由無序程度小轉(zhuǎn)化為無序程度大的過程，體現(xiàn)了自然過程的方向。解析：分子熱運動是大量分子無規(guī)則運動，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(jù)熵增加原理，熱運動的結(jié)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(zhuǎn)化的過程，C、D項正確。┃┃對點訓(xùn)練__■2．如圖，質(zhì)量、溫度相同的水，分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關(guān)系？為什么？答案：依據(jù)大量分子運動對系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學(xué)其次定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(tǒng)自發(fā)變更時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會削減。這也就是說，任何一個系統(tǒng)自發(fā)變更時，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會削減。質(zhì)量相同，溫度相同的水，可以由固體自發(fā)地向液體、氣態(tài)轉(zhuǎn)化，所以，氣態(tài)時的熵最大，其次是液體，固態(tài)時的熵最小。核心素養(yǎng)提升1．熱力學(xué)其次定律與第肯定律的比較規(guī)律區(qū)分聯(lián)系熱力學(xué)第肯定律熱力學(xué)其次定律區(qū)分熱力學(xué)第肯定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)建能量和殲滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機熱力學(xué)其次定律是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程、化學(xué)過程具有不行逆性的閱歷總結(jié)，從而否定了其次類永動機聯(lián)系兩定律都是熱力學(xué)基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律，二者相互獨立，又相互補充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)2.兩類永動機的比較比較項第一類永動機其次類永動機設(shè)計要求不消耗任何能量，可以不斷地對外做功(或只賜予很小的能量啟動后，可以恒久運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變更(或只有一個熱庫，實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)不行能的緣由違反了能量守恒定律違反了熱力學(xué)其次定律案例關(guān)于兩類永動機和熱力學(xué)的兩個定律，下列說法正確的是(D)A．第一類永動機不行能制成是因為違反了熱力學(xué)其次定律B．其次類永動機不行能制成是因為違反了熱力學(xué)第肯定律C．由熱力學(xué)第肯定律可知做功不肯定變更內(nèi)能，傳熱也不肯定變更內(nèi)能，但同時做功和傳熱肯定會變更內(nèi)能D．由熱力學(xué)其次定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫汲取熱量，完全變勝利也是可能的解析：第一類永動機違反能量守恒定律，選項A錯誤；其次類永動機違反熱力學(xué)其次定律，選項B錯誤；由熱力學(xué)第肯定律可知當(dāng)W≠0，Q≠0時，ΔU＝W＋Q可以等于0，選項C錯誤；由熱力學(xué)其次定律可知選項D中現(xiàn)象是可能的，但肯定會產(chǎn)生其他影響，選項D正確。課堂鞏固達(dá)標(biāo)1．(多選)(2024·山東青州一中高二下學(xué)期月考)下列說法正確的是(AC)A．1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的內(nèi)能小些B．其次類永動機不行能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能C．熱力學(xué)第肯定律也可表述為“第一類永動機不行能制成”D．熱力學(xué)其次定律可描述為“不行能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”解析：1kg的0℃的冰熔化成0℃的水要汲取熱量，則1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的內(nèi)能小些，選項A正確；其次類永動機不行能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變更，故B錯誤；熱力學(xué)第肯定律也可表述為“第一類永動機不行能制成”，選項C正確；熱力學(xué)其次定律可描述為“不行能使熱量自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體”，故D錯誤。2．(2024·山東省濟南市章丘區(qū)校級模擬)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法中正確的是(A)A．可以從單一熱源汲取熱量，使之完全變?yōu)楣．志向氣體的等壓膨脹過程肯定放熱C．熱量不行能從低溫物體傳遞到高溫物體D．壓縮氣體做功，該氣體的內(nèi)能肯定增加解析：依據(jù)熱力學(xué)其次定律可知，可以從單一熱源汲取熱量，使之完全變?yōu)楣?，但是會引起其他的變更，故A正確；當(dāng)志向氣體做等壓膨脹過程時，依據(jù)eq\f(pV,T)＝C，可得溫度要增加，故內(nèi)能ΔU增加；又因為氣體膨脹對外做功所以W<0，再依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q可得：Q>0，氣體肯定汲取熱量，故B錯誤；依據(jù)熱力學(xué)其次定律可知，熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，若有外界做功的話，可以從低溫物體傳遞到高溫物體，故C錯誤；壓縮氣體，外界對氣體做功，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q得知，若氣體同時放熱，氣體的內(nèi)能不肯定增加，故D錯誤。3．(2024·北京市朝陽區(qū)模擬)下列說法中正確的是(B)A．圖甲中，兩個分子從很遠(yuǎn)處漸漸靠近，直到不能再靠近為止的過程中，分子間相互作用的合力先變小后變大B．圖乙中，在測量分子直徑時，可