【導學練】高中物理魯科版(2019)選擇性必修3：3.3 熱力學第二定律 4 熵-系統(tǒng)無序程度的量度學案

第3節(jié)熱力學第二定律第4節(jié)熵——系統(tǒng)無序程度的量度[核心素養(yǎng)·明目標]核心素養(yǎng)學習目標物理觀念知道什么是可逆過程和不可逆過程，知道熱傳遞的方向性及與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都是不可逆的?？茖W思維了解熱力學第二定律的兩種表述及熵增加原理，并能解釋相關問題及第二類永動機不能制成的原因?？茖W探究通過對熱機效率的探討，揭示熱機效率不能達到100%的實質，學會與他人交流合作，提高探索科學的能力。科學態(tài)度與責任學會科學家探索問題的方法，實事求是的科學態(tài)度，培養(yǎng)學習科學的興趣。知識點一可逆過程與不可逆過程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，則原來的過程稱為可逆過程。(2)不可逆過程一個系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程到達另一狀態(tài)，如果用任何方法都不能使系統(tǒng)與外界完全復原，則原來的過程稱為不可逆過程。2．熱傳遞的方向性(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．功熱轉化的方向性功熱轉化這一熱現(xiàn)象是不可逆的，具有方向性。4．結論凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性。說明：由生活經(jīng)驗可知，墨水擴散過程不可逆。1：思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)100℃的水經(jīng)過熱量的散失過程變?yōu)槔渌?，冷水加熱后又變?yōu)?00℃的水，說明熱量的散失是可逆過程。 (×)(2)熱量不會從低溫物體傳給高溫物體。 (×)(3)一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。 (√)知識點二熱力學第二定律及第二類永動機1．熱力學第二定律(1)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。(2)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。2．第二類永動機(1)定義從單一熱源吸取熱量并使之完全轉化為功而不引起其他變化的機器。(2)第二類永動機不可能制成第二類永動機并不違背熱力學第一定律，但違背了熱力學第二定律。(3)熱力學第二定律的又一表述第二類永動機是不可能實現(xiàn)的。注意：熱力學第二定律的克勞修斯和開爾文表述是等價的。2：思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)傳熱的過程是具有方向性的。 (√)(2)科技發(fā)達后，熱機的效率可以達到100%。 (×)3：填空如圖所示是壓縮式電冰箱的工作原理示意圖。經(jīng)過干燥過濾器后液體制冷劑進入蒸發(fā)器，汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，壓縮機使低溫低壓的制冷劑氣體變成高溫高壓的氣體，然后制冷劑在冷凝器中液化放出熱量到箱體外。電冰箱將熱量從低溫物體轉移到高溫物體的工作過程不違背(填“違背”或“不違背”)熱力學第二定律。知識點三熵——系統(tǒng)無序程度的量度1．有序與無序(1)生活中符合某種規(guī)則的現(xiàn)象稱為有序，反之稱為無序。規(guī)則越多，一個宏觀狀態(tài)對應的微觀狀態(tài)越少，出現(xiàn)的概率越小，我們稱之為越有序。反之規(guī)則越少，一個宏觀狀態(tài)對應的微觀狀態(tài)就越多，出現(xiàn)的概率也越大，我們稱之為越無序。(2)熱力學第二定律的微觀本質：與熱現(xiàn)象有關的自然發(fā)生的宏觀過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行。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行。3．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可利用狀態(tài)轉化為不可利用狀態(tài)，能量品質退化了，這種現(xiàn)象稱為能量退降。說明：系統(tǒng)越無序，熵越大。4：思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)一個宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)數(shù)目越多，則熵越大。 (√)(2)封閉系統(tǒng)的自然過程熵總是增加的。 (√)(3)熵值越大代表越有序。 (×)考點1熱力學第二定律“火中取栗”是大家非常熟悉的成語，如圖所示，這其中包含什么物理知識呢？提示：當手伸到火中拿栗子時會被灼傷，即熱量從火傳到了手上，從而使手的溫度升高，這是由熱現(xiàn)象的方向性決定的，絕對不會出現(xiàn)手伸到火中后，熱量從手上傳到火中，而使手的溫度降低，而火的溫度更高的情況。1．對熱力學第二定律的理解在熱力學第二定律的表述中，正確地理解“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的確切含義是理解熱力學第二定律的關鍵所在。(1)“自發(fā)地”過程就是不受外來干擾進行的自然過程，如重物下落、植物的開花結果等都是自然界客觀存在的一些過程，它不受外界干擾。在傳熱過程中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“對外界的影響或有外界的幫助”，就是要有外界對其做功才能完成。電冰箱就是一例，它是靠電流做功的幫助把熱量從低溫處“搬”運到高溫處的。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2．熱機(1)熱機：把內(nèi)能轉化成機械能的一種裝置。如蒸汽機把水蒸氣的內(nèi)能轉化為機械能；內(nèi)燃機把燃燒后的高溫高壓氣體的內(nèi)能轉化為機械能。(2)熱機的工作原理工作物質從熱庫吸收熱量Q1，推動活塞做功W，然后排出廢氣，同時把熱量Q2散發(fā)到冷凝器或大氣中。根據(jù)能量守恒有Q1＝W＋Q2。(3)熱機的效率把熱機做的功W與它從熱庫中吸收的熱量Q1的比值叫作熱機的效率，用η表示，有η＝eq\f(W,Q1)。因為Q1＝W＋Q2，所以Q1>W，η<1。這說明熱機不可能把吸收的熱能全部轉化為機械能，總有一部分要散失到冷凝器或大氣中。(4)特別提示：①熱機必須有熱源和冷凝器。②熱機不能把它得到的全部內(nèi)能轉化為機械能。③因熱機工作時，總要向冷凝器散熱，不可避免地要釋放一部分熱量Q2，所以總有Q1>W。④熱機的效率不可能達到100%，即使是理想熱機，沒有摩擦，也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化為機械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。3．第二類永動機不可能制成(1)第二類永動機：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C。(2)第二類永動機不可能制成：這類機器雖然不違背能量守恒定律，但因為機械能和內(nèi)能的轉化過程是有方向性的，熱機工作時從高溫熱源吸收的熱量Q，只有一部分用來做功W，轉化為機械能，另一部分熱量要排放給低溫熱源，也就是說，熱機在工作過程中必然排出部分熱量，熱機用于做機械功的熱量僅是它從高溫熱源吸收熱量的一部分，絕不會是全部。所以第二類永動機是不可能制成的?！镜淅?】(多選)根據(jù)熱力學第二定律，下列說法正確的是()A．熱機中燃氣的內(nèi)能不可能全部變成機械能B．電能不可能全部轉變成內(nèi)能C．在火力發(fā)電機中，燃氣的內(nèi)能不可能全部轉變成電能D．在熱傳導中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體思路點撥：(1)熱機效率不可能達到100%。(2)對“自發(fā)”的正確理解。ACD[凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性。無論采用任何設備和手段進行能量轉化，熱機的效率不可能達到100%，故熱機中燃氣的內(nèi)能不能全部轉化為機械能，故A正確；火力發(fā)電機發(fā)電時，能量轉化的過程為內(nèi)能→機械能→電能，因為內(nèi)能→機械能的轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內(nèi)能必然不能全部轉變?yōu)殡娔?，故C正確；熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進行，必須借助外界的幫助，結果會帶來其他影響，這正是熱力學第二定律第一種(克勞修斯)表述的主要思想，故D正確。]理解熱力學第二定律的實質，即自然界中進行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。理解的關鍵在于“自發(fā)”和“不產(chǎn)生其他影響”。eq\a\vs4\al([跟進訓練])角度一熱力學第二定律的理解1．(多選)如圖中汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體，汽缸壁是導熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣，現(xiàn)將活塞桿緩慢向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并通過桿對外做功。若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關，則下列說法正確的是()A．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，此過程違背熱力學第二定律B．氣體是從單一熱源吸熱，但并未全部用來對外做功，此過程不違背熱力學第二定律C．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，此過程不違背熱力學第二定律D．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，此過程不違背熱力學第一定律CD[由于氣體始終通過汽缸與外界接觸，外界溫度不變，活塞桿與外界連接并使其緩慢地向右移動過程中，有足夠時間進行熱交換，氣體等溫膨脹，所以汽缸內(nèi)的氣體溫度不變，內(nèi)能也不變，該過程氣體是從單一熱源即外部環(huán)境吸收熱量，即全部用來對外做功才能保證內(nèi)能不變，此過程既不違背熱力學第二定律，也不違背熱力學第一定律，此過程由外力對活塞做功來維持，如果沒有外力F對活塞做功，此過程不可能發(fā)生，C、D正確。]角度二第二類永動機2．(多選)關于第二類永動機，下列說法中正確的是()A．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機叫作第二類永動機B．第二類永動機違反了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉化為機械能D．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化AD[由第二類永動機的表述知A正確；第二類永動機違反了熱力學第二定律，所以不能制成，故B錯誤；機械能可以全部轉化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化，故D正確，C錯誤。]考點2熵——系統(tǒng)無序程度的量度如圖所示，質量和溫度相同的水，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系？為什么？氣體液體固體提示：根據(jù)大量分子運動對系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(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。這就是說，任何一個系統(tǒng)自發(fā)變化時，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會減小。質量相同、溫度相同的水，可以由固體自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉化，所以，氣態(tài)時的熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時的熵最小。1．對熵的理解(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，這個系統(tǒng)的熵就越大。(2)在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加。2．對熵增加原理的理解(1)對于孤立的熱力學系統(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行?；蛘哒f，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減小。這就是熵增加原理。(2)從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，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，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?！镜淅?】(多選)關于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法中正確的是()A．大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自發(fā)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運動狀態(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CD[熱傳遞的過程中熱量從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞，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，而不是從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)的轉化；大量分子的運動不可能從無序運動自動轉為有序運動；自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。A、B錯誤，C、D正確。]熵的五點注意(1)熵的微觀意義：熵是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運動無序性的量度。(2)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，可能達到的狀態(tài)越多。(3)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。(4)熵的本質：熵是體現(xiàn)微觀混亂度的量度，混亂度越大，熵值也越大。(5)一個孤立系統(tǒng)的自然可逆過程中，總熵不變。eq\a\vs4\al([跟進訓練])3．(多選)在下列敘述中，正確的是()A．熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度B．對孤立系統(tǒng)而言，一個自發(fā)的過程中熵總是向減少的方向進行C．熱力學第二定律的微觀實質是：熵總是增加的D．熵值越大，表明系統(tǒng)內(nèi)分子運動越無序ACD[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、D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行，故B錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，擴散、熱傳遞等現(xiàn)象與溫度有關，凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程，都具有方向性，其實質表明熵總是增加的，故C正確。]1．下列說法正確的是()A．能量耗散說明能量在不斷減少B．能量耗散從能量轉化角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性C．熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體D．根據(jù)熱力學第二定律，在火力發(fā)電機中，燃氣的內(nèi)能可以全部轉化為電能B[能量耗散是指能量的可利用率越來越低，由于能量守恒，故能量不會減少，選項A錯誤；根據(jù)熱力學定律可知，與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程具有方向性，能量耗散就是從能量的角度反映了這種方向性，選項B正確；根據(jù)熱力學第二定律可知，能量轉化和轉移具有方向性，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，但可以借助其他辦法實現(xiàn)，選項C錯誤；火力發(fā)電機發(fā)電時，能量轉化的過程為化學能—內(nèi)能—機械能—電能，因為內(nèi)能—機械能的轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內(nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?，選項D錯誤。]2．下列說法正確的是()A．功可以完全轉化為熱量，而熱量不可以完全轉化為功B．熱機必須是具有兩個熱庫，才能實現(xiàn)熱功轉化C．熱機的效率不可能大于1，但可能等于1D．熱機的效率必定小于1D[開爾文表述沒有排除熱量可以完全轉化為功，但必然要產(chǎn)生其他變化，比如氣體等溫膨脹，氣體內(nèi)能完全轉化為功，但氣體體積增大了，A錯誤；開爾文表述指出，熱機不可能只有單一熱庫，但未必就是兩個熱庫，可以具有兩個以上熱庫，B錯誤；由η＝eq\f(Q1－Q2,Q1)可知，只要Q2≠0，則η≠1，如果Q2＝0，則低溫熱庫不存在，違背了開爾文表述，C錯誤，D正確。]3．(多選)根據(jù)熱力學第二定律可知，下列說法正確的有()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．機械功可以全部轉化為熱量，但熱量不可能全部轉化為機械功D．機械功可以全部轉化為熱量，熱量也可能全部轉化為機械功BD[根據(jù)傳熱的規(guī)律可知熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體；當外界對系統(tǒng)做功時，可以使系統(tǒng)從低溫物體吸取熱量傳到高溫物體上去，制冷機(例如冰箱和空調)就是這樣的裝置，但是熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，A錯誤，B正確；一個運動的物體，克服摩擦阻力做功，最終停止，在這個過程中機械功全部轉化為熱量，外界條件發(fā)生變化時，熱量也可以全部轉化為機械功，例如在等溫膨脹過程中，系統(tǒng)吸收的熱量全部轉化為對外界