高中物理 第4章 能量守恒與熱力學定律 3 宏觀過程的方向性 4 熱力學第二定律 5 初識熵教師用書 教科版選修3-3

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3．宏觀過程的方向性 4．熱力學第二定律 5．初識熵 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.知道熱傳遞、擴散現(xiàn)象、機械能與內能的轉化等都具有方向性．具有方向性的過程是不可逆的．(重點) 2.理解熱力學第二定律的兩種表述，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不可能制成．(難點、重點) 3.學會用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移及方向性問題．(重點) 4.了解熵的概念及熵增原理，并能解釋生活中的有關現(xiàn)象．(難點) 宏觀過程的方向性、熱力學第二定律 1．宏觀過程的方向性 (1)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． (2)擴散現(xiàn)象的方向性 ①液體擴散現(xiàn)象具有方向性． ②氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，具有方向性． (3)機械能與內能之間的轉化存在著方向性． 2．熱力學第二定律的表述 (1)第一種表述(克勞修斯表述) 不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響．(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全部變?yōu)橛杏玫墓Χ划a生其他影響．(說明機械能與內能轉化的方向性) 熱力學第二定律的這兩種表述是等價的．熱現(xiàn)象的宏觀過程是不可逆的． (3)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產生其他影響的機器． 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制成的． 1．第二類永動機違背了熱力學第二定律．(√) 2．科技發(fā)達后，熱機的效率可以達到100%.() 3．機械能可以全部轉化為內能，而內能不能自發(fā)的全部轉化為機械能．(√) 請舉出日常生活中的一些不可逆過程． 【提示】　(1)破鏡不能重圓． (2)水從高山流到河谷，不可能自己再返回高山． (3)一滴墨水滴入一杯清水中，墨水擴散均勻后，不可能再自動地凝聚成一滴墨水． 1．對兩種表述的理解 (1)熱力學第二定律的兩種表述看上去似乎沒有什么聯(lián)系，然而實際上它們是等價的，即由其中一個，可以推導出另一個． (2)“不產生其他影響”是指使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體時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地從低溫物體轉移到高溫物體．如果外界消耗一定量的功，把熱量從低溫物體轉移到高溫物體是完全可能的，如電冰箱和空調機的制冷過程． (4)開爾文表述表明了在引起其他變化或產生其他影響的條件下，熱量能夠完全轉化為功，如理想氣體的等溫自由膨脹，內能不變，吸收的熱量全部轉化為功，但卻引起了體積的膨脹． 2．熱力學第二定律的普遍性 熱力學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，進而使人們認識到自然界中一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的． 3．熱力學第二定律的推廣 對任何一類宏觀自然過程進行方向的說明，都可以作為熱力學第二定律的表述．例如，在圖431中，盒子中間有一個擋板，左室為真空，右室有氣體．撤去擋板后，右室的氣體自發(fā)向左室擴散，而相反的過程不可能自發(fā)地進行．因此，熱力學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． 圖431 1．(2016唐山高二檢測)下列關于熱力學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)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的 C．機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能而不引其他影響 D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的 E．熱運動的宏觀過程會有一定的方向性 【解析】　熱運動的宏觀過程會有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏觀過程并不能都真的發(fā)生，故A錯誤，E正確；根據(jù)熱力學第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關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錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸取熱使之全部轉換為有用的功而不產生其他影響，所以機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能，故C正確． 【答案】　BCE 2．根據(jù)熱力學第二定律，下列說法中正確的是(　　) 【導學號：74320062】 A．電流的電能不可能全部轉變成內能 B．在火力發(fā)電中，燃氣的內能不可能全部轉變?yōu)殡娔? C．在熱機中，燃氣的內能不可能全部轉變?yōu)闄C械能 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 E．熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，而不引起其他的影響 【解析】　電能可以全部轉化為內能，如純電阻電路，而燃氣的內能不可能全部轉化為電能和機械能，故A錯誤，B、C正確；根據(jù)熱力學第二定律關于熱傳導的描述知，D正確，E錯誤． 【答案】　BCD 3．下列說法中正確的是(　　) A．機械能全部轉化為內能是不可能的 B．機械能可以全部轉化為內能 C．第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會消失，也不會創(chuàng)生，只能從一個物體轉移到另一個物體，或從一種形式轉化為另一種形式 D．根據(jù)熱力學第二定律可知，熱量可能從低溫物體傳到高溫物體 E．從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣κ强赡艿? 【解析】　機械能可以全部轉化為內能，故A錯誤，B正確；第二類永動機不可能制造成功是因為它違背了熱力學第二定律，故C錯誤；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，是可以進行的，故D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也引起了其他的變化，是可能的，故E正確． 【答案】　BDE 理解熱力學第二定律的方法 (1)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“不產生其他影響”． (2)正確理解哪些過程不會達到100%的轉化而不產生其他影響． 熵 1．有序、無序 物理學上把系統(tǒng)的有差異的不均勻、有規(guī)則、集中說成有序，把系統(tǒng)的無差異的均勻、無規(guī)則、分散說成無序． 2．熵 (1)熵的定義 用來量度系統(tǒng)無序程度的物理量叫做熵． (2)熵增原理 孤立系統(tǒng)的熵總是增加的，或者孤立系統(tǒng)的熵總不減少． (3)熵增原理是熱力學第二定律最基本的表示式． 1．熵是系統(tǒng)內分子運動無序性的量度．(√) 2．在自然過程中熵總是增加的．(√) 3．熵值越大代表越有序．() 質量相同、溫度相同的水，如圖432所示，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 圖432 【提示】　質量相同、溫度相同的水，可以由固態(tài)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?。? 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．或者說，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減小．這就是熵增原理． (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． 4．在下列敘述中，正確的是(　　) A．熵是物體內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)內分子運動越無序 E．能量耗散說明能量在不斷減小 【解析】　熵是物體內分子運動無序程度的量度，系統(tǒng)內分子運動越無序，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；能量耗散是指能量的可利用率越來越低，但能量仍然是守恒的，故E錯誤． 【答案】　ACD 5．對于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是(　　) 【導學號：74320063】 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 E．在自然的可逆過程中，孤立系統(tǒng)的總熵不變 【解析】　根據(jù)熵增加原理，一個孤立系統(tǒng)發(fā)生的實際過程，總熵只能增大，A正確，B錯誤；對于可逆的自然過程，總熵不變，E對；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C正確，D錯誤． 【答案】　ACE 熵的五點注意 (1)熵的微觀意義：熵是系統(tǒng)內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，在孤立體系中經過一個不可逆過程，熵總是增加的． (4)熵的本質：熵是體系微觀混亂度的量度，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．