版高中物理第四章能量守恒与热力学定律4热力学第二定律5初识熵学案教科版选修33Word格式.docx

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4．热力学第二定律的实质

热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．

5．第二类永动机

（1）定义：

假设某一系统吸收空气或海水中的热量，对外部做有用功，而又返回到初态．如此周而复始地反复进行，永不停止，该系统称为第二类永动机．

（2）不可能制成的原因：

不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律．（均填“违反”或“不违反”）

二、初识熵

1．对熵的认识

（1）方向性

不可逆过程总是系统从有差异的状态向无差异的均匀状态过渡，从有规则向无规则过渡，从集中向分散过渡．

（2）有序、无序

把系统的有差异的不均匀、有规则、集中说成有序，把系统的无差异的均匀、无规则、分散说成无序．

（3）熵

代表系统的无序性程度．无序性大，熵大；

无序性小，熵小．

2．熵增原理

（1）内容

孤立系统的熵总是增加的，或者孤立系统的熵总不减少．

（2）公式

①ΔS表示过程中熵的变化，则熵增原理可以表示为：

ΔS≥0.

②ΔS＝0表示系统处于平衡态，ΔS>

0表示孤立系统的任何一个过程熵总是增加的．

（3）适用条件：

孤立系统．

[即学即用]

1．判断下列说法的正误．

（1）可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功．（√）

（2）第二类永动机违背了能量守恒定律．（×

）

（3）第二类永动机违背了热力学第二定律．（√）

（4）一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的．（×

（5）熵值越大代表着越有序．（×

（6）孤立系统的总熵可能增大，也可能减小．（×

2．

（1）冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这________（填“违反”或“不违反”）热力学第二定律．

（2）两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，直到两者温度相等；

一个温度处处相等的物体，不可能自发地变成一部分温度高，另一部分温度低．这一事实说明，一切自然过程总是沿着分子热运动________的方向进行．

答案　

（1）不违反　

（2）无序性增大

[导学探究]　有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所产生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化．这是一个非常诱人的设想，这种设想并不违反能量守恒定律，如果真能造出这样的热机，那么，我们只从海水中吸收热量来做功，就成为可能了，“能源问题”也就解决了．这样的热机能制成吗？

为什么？

答案　不能．违背了热力学第二定律．

[知识深化]

1．在热力学第二定律的表述中，“不可能”“不产生其他影响”的涵义

（1）关于“不可能”：

实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热源吸收热量对外做功，以及热量从低温热源传到高温热源以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除．

（2）“不产生其他影响”是指发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响．如吸热、放热、做功等．

2．热力学第二定律的意义

热力学第二定律已在物理、化学、生物等自然学科中有着重要的应用，对我们认识自然、利用自然有重要的指导意义．

特别提醒　热力学第二定律的实质：

热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．

例1

　（多选）根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是（　　）

A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做有用功，而不引起其他变化

B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做有用功，而不引起其他变化的热机是可以实现的

C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化

D．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化

答案　AD

解析　热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A选项正确，B选项错误；

热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化（外界对系统做功），故C选项错误，D选项正确．

针对训练　（多选）下列说法中正确的是（　　）

A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性

B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的

C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行

D．一切物理过程都不可能自发地进行

答案　AC

解析　能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A对；

第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错；

在热传递的过程中，能量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C对，D错．

二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较

1．两个定律比较

热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中，总的能量保持不变．热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程都具有不可逆性．

2．两类永动机的比较

分类

第一类永动机

第二类永动机

设计要求

不消耗任何能量，可以不断地做功（或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去）

将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化（或只有一个热源，实现内能与机械能的转化）

不可制成的原因

违背能量守恒定律

违背热力学第二定律

例2

　关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是（　　）

A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的

B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾

C．两条定律都是有关能量转化的规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别

D．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律

答案　B

解析　热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和其他形式的能发生转化的方向性，两者并不矛盾，选项A、C、D错误，B正确．

例3

　下列说法正确的是（　　）

A．第二类永动机违背了能量守恒定律

B．第二类永动机违背了热力学第二定律

C．根据能量守恒定律，经过不断的技术改造，热机的效率有可能达到100%

D．电冰箱和空调机工作时，热量从低温热源传到高温热源，违背了热力学第二定律

解析　第二类永动机没有违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，A错误，B正确；

热机的效率永远小于100%，因为要向低温热源散热，C错误；

电冰箱和空调机工作时，是通过压缩机做功，来实现热量从低温热源到高温热源的传递，所以并没有违背热力学第二定律，D错误．

三、初识熵

[导学探究]　

（1）如图1所示，一幅是阅兵式的图片，另一幅是清明上河图（局部），从这两幅图中我们看出了什么？

图1

（2）固体自发地熔化为液体、固体结晶要比液体整齐有序；

液体自发地蒸发为气体，液体分子的分布比气体分子要集中有序．两种不同气体相互扩散，由有序变为无序，这些现象都说明了什么问题？

答案　

（1）阅兵式图片较有序，清明上河图较无序．

（2）自发过程总是向着无序性增大的方向进行．

1．熵的概念

（1）熵是系统无序度的量度

“有序”和“无序”是相对而言的，是从有序程度上讲的，熵越高，意味着宏观态所对应的微观态数目越多，即越无序，熵越低即越有序．

（2）熵是不可逆过程的共同判据

系统的自发过程总是从有序向无序变化．因为熵是系统无序度的量度，所以可以用熵作为一切不可逆过程的共同判据．

（3）熵是系统状态的函数

系统的一个状态对应一个熵值．如一块完整的玻璃有一熵值，打碎的玻璃另有一个熵值．

2．熵增原理——热力学第二定律的另一种表述

①“孤立系统”是指与外界既没有物质的交流，也没有能量的交换，即与外界没有任何联系的系统．

②熵增是孤立系统内部实际发生过程的必然趋势．即一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行．

特别提醒　客观过程的方向性具有统计意义，宏观过程总是向着无序程度增加的方向发展，即总是向着概率大的状态发展，而不可能相反．

例4

　（多选）关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是（　　）

A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动

B．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程

C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程

D．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行

答案　CD

解析　分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序．而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，故选C、D.

1．一切自发过程都是不可逆的，是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化发展的过程，即无序性增大的过程．

2．传热过程是大量分子由无序程度小的运动状态转化为无序程度大的运动状态的过程，体现了热传递的方向性．

例5

　下列关于熵的说法中错误的是（　　）

A．熵是系统内分子运动无序性的量度

B．在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的

C．热力学第二定律也叫做熵减小原理

D．熵值越大代表着越无序

答案　C

解析　一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义．系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程．自然过程的方向性可以表述为：

在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增原理．故A、B、D说法正确，C说法错误.

1.（热力学第二定律的理解）下列说法正确的是（　　）

A．机械能全部变成内能是不可能的

B．第二类永动机不可能制造成功是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式

C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体

D．从单一热源吸收的热量全部变成有用功是可能的

答案　D

解析　机械能可以全部转化为内能，故A错；

第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B错；

热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C错；

从单一热源吸收