第三章-第四節(jié)-熱力學(xué)第二定律(2019人教版選擇性必修第三冊)

第四節(jié)熱力學(xué)第二定律知識點歸納知識點一、熱力學(xué)第二定律的一種表述1．熱力學(xué)第二定律的一種表述——克勞修斯表述熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體．2．對克勞修斯表述的理解闡述的是熱傳遞的方向性．在這個表述中，“自發(fā)”二字指的是：當(dāng)兩個物體接觸時，不需要任何第三者的介入、不會對任何第三者產(chǎn)生任何影響，熱量就能從一個物體傳到另一個物體．當(dāng)兩個溫度不同的物體接觸時，這個“自發(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體．3．要使與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程逆向完成，必須有第三者的介入，即提供必要的幫助，如做功等．4．對任何一類宏觀自然過程進行方向的說明，都可以作為熱力學(xué)第二定律表述的理解.知識點二、熱力學(xué)第二定律的另一種表述1．熱機(1)熱機是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能的一種裝置．例如：蒸汽機把水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能；內(nèi)燃機是把燃燒后的高溫高壓氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能．(2)熱機由熱源、工作物質(zhì)、冷凝器組成．內(nèi)燃機沒有冷凝器，大氣就是它的低溫?zé)釒欤?3)熱機的工作原理：工作物質(zhì)從熱源吸收熱量Q1，推動活塞做功W，然后排出廢氣，同時把熱量Q2散發(fā)到冷凝器中．根據(jù)能量守恒有Q1＝W＋Q2.(4)熱機的效率：把熱機做的功W與它從熱源中吸收的熱量Q1的比值叫做熱機的效率，用η表示，有η＝eq\f(W,Q1).因為Q1＝W＋Q2，所以Q1＞W(wǎng)，η＜1.這說明熱機不可能把吸收的熱能全部轉(zhuǎn)化為機械能，總有一部分要散失到冷凝器中．熱機的效率不可能達到100%.2．熱力學(xué)第二定律的另一種表述——開爾文表述(1)不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響．(2)熱力學(xué)第二定律的開爾文表述闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性：通過做功，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)換成機械能而不產(chǎn)生其他影響．3．熱力學(xué)第二定律理解中的幾個問題(1)單一熱庫：指溫度均勻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，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電．(2)其他影響：指除了從單一熱庫吸收的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響；或者除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到熱量外，其他一切影響和變化．不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功，而是這樣做功的過程中，一定伴隨著其他變化或影響．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)生其他影響的自發(fā)熱傳遞是不可能的．(3)關(guān)于“不可能”：實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，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，不論用任何曲折復(fù)雜的辦法都不可能加以消除．(4)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，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．(5)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．(6)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)．如果克勞修斯表述不成立，則開爾文表述也不成立．4．第二類永動機(1)定義：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響的熱機．(2)熱力學(xué)第二定律的一種表述：第二類永動機不可能制成．雖然第二類永動機不違反能量守恒定律，大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱源，熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓Γ筒豢杀苊獾貙⒁徊糠譄崃總鹘o低溫?zé)嵩矗茱@然，如果第二類永動機能制成，那么就可以利用空氣或海洋作為熱源，從它們那里不斷吸取熱量而做功．這是最經(jīng)濟不過的，因為海洋的內(nèi)能實際上是取之不盡的．知識點三、熱力學(xué)第一、第二定律的比較熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律區(qū)別熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機熱力學(xué)第二定律是關(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)過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)，從而否定了第二類永動機聯(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)知識點四、兩類永動機的比較分類第一類永動機第二類永動機設(shè)計要求不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)不可能的原因違背了能的轉(zhuǎn)化與守恒定律違背了熱力學(xué)第二定律知識點四、有序和無序宏觀態(tài)和微觀態(tài)1．有序和無序有序確定了某種規(guī)則，系統(tǒng)符合這個規(guī)則的就是有序的無序一個系統(tǒng)中，對個體的分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”，我們說這樣的分布是無序的2．宏觀態(tài)和微觀態(tài)(1)宏觀態(tài)：一個系統(tǒng)整體所處的狀態(tài)就叫做宏觀態(tài)．(2)微觀態(tài)：宏觀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各個體的不同分布狀態(tài)就叫微觀態(tài)，一個“宏觀態(tài)”往往對應(yīng)多個“微觀態(tài)”，對應(yīng)的“微觀態(tài)”越多，就說這個“宏觀態(tài)”無序度越大．(3)對宏觀態(tài)和微觀態(tài)的理解①規(guī)定了某種規(guī)則，我們就規(guī)定了一個“宏觀態(tài)”，這個“宏觀態(tài)”可能包含一種或幾種“微觀態(tài)”，不同的“宏觀態(tài)”對應(yīng)的微觀態(tài)的個數(shù)不同．如果一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的．②在熱力學(xué)系統(tǒng)中，由于存在大量粒子的無規(guī)則熱運動，任一時刻各個粒子處于何種運動狀態(tài)完全是偶然的，而且又都隨時間無規(guī)則地變化著．系統(tǒng)中各個粒子運動狀態(tài)的每一種分布，都代表系統(tǒng)的一個微觀態(tài)，系統(tǒng)的微觀態(tài)的數(shù)目是大量的，在任意時刻系統(tǒng)隨機地處于其中任意一個微觀態(tài).知識點五、氣體向真空擴散氣體向真空擴散說明：一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行．我們所說的有序狀態(tài)，指的是對應(yīng)著較少微觀態(tài)的那樣的宏觀態(tài)．自發(fā)的過程總是傾向于出現(xiàn)與較多微觀態(tài)對應(yīng)的宏觀態(tài)，因此自發(fā)的過程總是從有序向著無序發(fā)展的.知識點六、熵1．熵的定義：物理學(xué)中用字母Ω表示一個宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)的數(shù)目，用字母S表示熵，有S＝klnΩ，式中k叫做玻耳茲曼常量．2．熵增加原理：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展．因此熱力學(xué)第二定律也叫做熵增加原理．3．對熵的理解(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)進行．從熵的意義上說，系統(tǒng)自發(fā)變化時總是向著熵增大的趨勢發(fā)展．(3)用熵的概念來表示熱力學(xué)第二定律，可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小．(4)熱力學(xué)系統(tǒng)的一個宏觀態(tài)對應(yīng)多個微觀態(tài)，不同的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)個數(shù)一般不同，對應(yīng)微觀態(tài)個數(shù)較少的為有序狀態(tài)，熵小；對應(yīng)微觀態(tài)個數(shù)多的為無序狀態(tài)，熵大．宏觀上的平衡態(tài)，對應(yīng)微觀態(tài)個數(shù)最多，熵最大．(5)熵增加原理只適用于孤立的有限系統(tǒng)，對于有能量輸入的系統(tǒng)，熵可以增加；在整個宇宙中，熵增加原理也不適用，因為宇宙中萬有引力起決定作用，無序的星云可以在引力作用下形成有序運動的恒星—行星—衛(wèi)星系統(tǒng)．典例分析一、熱力學(xué)第二定律的理解和應(yīng)用例1下列說法正確的是()A．機械能全部變成內(nèi)能是不可能的B．第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式C．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不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成功是可能的解析機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。故A錯；第二類永動機不可能制造成功是因為它違背了熱力學(xué)第二定律，故B項錯；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，是可以進行的，故C項錯；從單一熱源吸收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D項對。答案D歸納總結(jié)：本題易錯選C，原因是忽略了在“引起其他變化”時，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體。二、第二類永動機例2第二類永動機不可能制成的原因是()A．違背了能量守恒定律B．熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體C．機械能不能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化解析第二類永動機的設(shè)想并不違背能量守恒定律，但是違背了熱力學(xué)第二定律，所以不可能制成．答案D歸納總結(jié)：凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，機械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化成機械能，而不引起其他變化．自我檢測1．下列哪個過程具有方向性()A．熱傳導(dǎo)過程B．機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程C．氣體的擴散過程D．氣體向真空中的膨脹解析這四個過程都是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程，根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性．答案ABCD2．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是()A．電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能B．在火力發(fā)電機中，燃氣的內(nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔蹸．熱機中，燃氣內(nèi)能不可能全部變?yōu)闄C械能D．在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體解析根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮?nèi)能(由焦耳定律可知)，而內(nèi)能不可能全部變成電流的能，而不產(chǎn)生其它影響．機械能可全部變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部變成機械能．在熱傳導(dǎo)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．答案BCD3．關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列論述正確的是()A．熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的B．內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會產(chǎn)生其他影響，故兩條定律并不矛盾C．兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì)區(qū)別D．其實，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律解析熱力學(xué)第一定律揭示了內(nèi)能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是能量守恒定律在熱學(xué)中的具體體現(xiàn)．熱力學(xué)第二定律則進一步闡明了內(nèi)能與其他形式能量轉(zhuǎn)化時的方向性，二者表述的角度不同，本質(zhì)不同，相互補充，并不矛盾，故選項C、D錯誤，選項B正確；內(nèi)能在一定條件下可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，熱量也可以由低溫物體傳遞到高溫物體，但是要引起其他變化，如電冰箱制冷機工作還要消耗電能，故選項A錯誤．答案B4．關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學(xué)規(guī)律，下列說法中正確的是()A．隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并達到絕對零度，最終實現(xiàn)熱機效率100%B．熱量是不可能從低溫物體傳遞給高溫物體的C．第二類永動機遵從能量守恒，故能做成D．用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做功2.0×105J，同時空氣向外界放出熱量1.5×105J，則空氣的內(nèi)能增加了0.5×105J解析由熱力學(xué)第二定律知，B、C錯；絕對零度不可能達到，A錯；由熱力學(xué)第一定律知D正確．答案D5．下列關(guān)于氣體在真空中的擴散規(guī)律的敘述中正確的是()A．氣體分子數(shù)越小，擴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散到真空容器中的分子在整個容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大D．氣體向真空中擴散時，總是向著分子熱運動的無序性增大的方向進行解析由熱力學(xué)第二定律的微觀解釋“一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大方向進行”和熵的概念可知，A、C、D正確．答案ACD6．關(guān)于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是()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)向更無序的狀態(tài)發(fā)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)發(fā)展解析在孤立體系中發(fā)生的實際過程，其系統(tǒng)的總熵總是增加的，它不可能減小，故A正確、B錯誤；根據(jù)熵增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故C正確、D錯誤．答案AC7．CO2氣體有個“怪脾氣”，它幾乎不吸收太陽的短波輻射，大氣中CO2濃度增加，能使地表溫度因受太陽輻射而上升；另外，它還有強烈吸收地面紅外熱輻射的作用，阻礙了地球周圍的熱量向外層空間的排放，使整個地球就像一個大溫室一樣．因此，大氣中