高中物理第5章热力学定律第34节热力学第二定律熵无序程度的量度教学案鲁科版选修33.docx

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高中物理第5章热力学定律第34节热力学第二定律熵无序程度的量度教学案鲁科版选修33

第3、4节热力学第二定律__熵—无序程度的量度

1.凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

2．热力学第二定律有两种表述，克劳修斯表述：

“不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化”，开尔文表述：

“不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化”；第二类永动机违背热力学第二定律，不可能制成。

3．用来量度系统无序程度的物理量叫熵，在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行。

自然过程的方向性

[自读教材·抓基础]

1．可逆过程和不可逆过程

（1）可逆过程：

一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。

（2）不可逆过程：

如果用任何方法都不能使系统与外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。

2．热传导的方向性

（1）热量可以自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分。

（2）热量不能自发地由低温物体传给高温物体。

（3）热传递是不可逆过程，具有方向性。

3．功和热相互转变的方向性

（1）功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性。

（2）热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性。

4．结论

凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

[跟随名师·解疑难]

1．热传导的方向性

（1）“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助。

如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程。

（2）热量从高温物体传给低温物体，是因为两者之间存在着温度差，而不是热量从内能多的物体传给内能少的物体。

由内能的定义可知，温度低的物体有可能比温度高的物体内能大。

2．热机的原理及效率

（1）定义：

热机就是消耗内能对外做功的一种装置。

（2）原理：

热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放能量Q2。

（3）效率：

由能量守恒定律知Q1＝W＋Q2，我们把热机做功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率，用η表示，即η＝

×100%。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

关于热传递的方向性，下列说法正确的是（　　）

A．热量能自发地由高温物体传给低温物体

B．热量能自发地由低温物体传给高温物体

C．任何条件下，热量都可以从低温物体传给高温物体

D．热量一定不可能从低温物体传给高温物体

解析：

选A　在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传递给高温物体，而热量只能自发地从高温物体传给低温物体。

热力学第二定律的表述

[自读教材·抓基础]

1．克劳修斯表述

不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。

（说明热传导的方向性）

2．开尔文表述

不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。

（说明机械能与内能转化的方向性）

3．第二类永动机不可能制成

（1）第二类永动机是指人们设想的从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器。

（2）热力学第二定律也可以表述为：

第二类永动机是不可能制成的。

[跟随名师·解疑难]

1．对两种表述的理解

（1）热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联系，然而实际上它们是等价的，即由其中一个，可以推导出另一个。

（2）“不引起其他变化”是指使热量从低温物体传递到高温物体时外界不消耗任何功或从单一热源吸收热量全部用来做功而外界及系统都不发生任何变化。

（3）克劳修斯表述是说热量不能自动地从低温物体转移到高温物体。

如果外界消耗一定量的功，把热量从低温物体转移到高温物体是完全可能的，如电冰箱和空调机的制冷过程。

（4）开尔文表述表明了在引起其他变化或产生其他影响的条件下，热量能够完全转化为功，如理想气体的等温自由膨胀，内能不变，吸收的热量全部转化为功，但却引起了体积的膨胀。

2．热力学第二定律的普遍性

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，进而使人们认识到自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的。

3．热力学第二定律的推广

对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。

例如，在图531中，盒子中间有一个挡板，左室为真空，右室有气体。

撤去挡板后，右室的气体自发向左室扩散，而相反的过程不可能自发地进行。

因此，热力学第二定律也可以表述为：

气体向真空的自由膨胀是不可逆的。

图531

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

下列说法中，正确的是（　　）

A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性

B．热量不可能由低温物体传给高温物体

C．气体的扩散过程具有方向性

D.一切形式的能量间的相互转化都不具有方向性

解析：

选C　与热现象有关的宏观过程具有方向性，A、D错；热量可以由低温物体传给高温物体，但必须有外界影响，B错；气体的扩散过程是单一方向的，即不可逆过程，C正确。

熵和熵增加原理

[自读教材·抓基础]

1．热力学第二定律的微观本质

一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。

2．熵

用来量度系统无序程度的物理量叫做熵。

3．熵增加原理

在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行。

4．孤立系统

与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统。

[跟随名师·解疑难]

1．对熵的理解

（1）熵是反映系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵就越大。

（2）在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加。

2．对熵增加原理的理解

（1）对于孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行。

或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小。

这就是熵增加原理。

（2）从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，熵值越大代表着越无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。

[特别提醒]　熵增加原理是判断不同状态的物体不可逆过程进行方向的共同标准。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

下列关于熵的说法错误的是（　　）

A．熵是系统内分子运动无序性的量度

B．在自然过程中熵总是增加的

C．热力学第二定律也叫做熵减小原理

D．熵值越大表示系统越无序

解析：

选C　根据熵的定义知A正确；从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展，B正确；热力学第二定律也叫熵增加原理，C错；熵越大，系统越混乱，无序程度越大，D正确。

故选C。

对热力学第二定律的考查

[典题例析]

1．下列说法中正确的是（　　）

A．机械能全部转化为内能是不可能的

B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会消失，也不会创生，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式

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为功是可能的

[思路点拨]　解此题的关键有两点：

（1）热力学第二定律的两种描述。

（2）第二类永动机制不成的原因。

解析：

机械能可以全部转化为内能，故A错误；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错误；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错误；从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D正确。

答案：

D

[探规寻律]

（1）在引起其他影响的情况下，热量可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等。

（2）分析热力学第二定律的应用问题时都不能忽视“自发性”和“不引起其他变化”的物理意义。

[跟踪演练]

根据热力学第二定律，下列说法中错误的是（　　）

A．电流的电能不可能全部变成内能

B．在火力发电中，燃气的内能不可能全部变为电能

C．在热机中，燃气的内能不可能全部变为机械能

D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体

解析：

选A　电能可以全部转化为内能，如纯电阻电路，而燃气的内能不可能全部转化为电能和机械能，故A错误，B、C正确。

根据热力学第二定律关于热传导的描述，D正确。

对熵和熵增加原理的考查

[典题例析]

2．（多选）足球运动员在比赛中摔倒造成粉碎性骨折，关于这一过程下列说法正确的是

（　　）

A．此过程是一个可逆过程

B．此过程是一个不可逆过程

C．此过程中熵增加

D．此过程中熵减少

[思路点拨]　熵是反映系统的无序程度的物理量，根据熵增加原理，一个孤立系统熵永远不会减小。

熵越大，无序程度越大。

解析：

由于完好的骨头形状确定，故完好的骨头所处的宏观态对应的微观态较少，熵小，较为有序。

发生粉碎性骨折后，其所处的宏观态对应的微观态较多，熵大，较为无序，故在这一过程中熵增加，且此过程不可逆。

答案：

BC

[探规寻律]

（1）必须知道一切不可逆过程都朝熵增加的方向进行。

（2）每一个不可逆过程都会导致熵的增加。

例如：

平时常见的热传递、扩散、功转变成热、煤的燃烧、铁在空气中氧化等一切自发的过程，都会使熵增加。

[跟踪演练]

对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是（　　）

A．系统的总熵只能减小，不可能增加

B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小

C．系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展

D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展

解析：

选C　根据熵增加原理，一个孤立系统发生的实际过程，总熵只能增大，A、B错误；再根据熵的物理意义，它量度系统的无序程度，熵越大，无序程度越大，故C正确，D错误。

[课堂双基落实]

1．第二类永动机不可以制成，是因为（　　）

A．违背了热力学第一定律

B．热量总是从高温物体传递到低温物体

C．机械能不可能全部转变为内能

D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化

解析：

选D　第二类永动机设想虽然符合热力学第一定律，但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律，所以不可能制成，故选D。

2.（多选）下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是（　　）

A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律

B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行

C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行

D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小

解析：

选AD　从热力学第二定律的微观本质看，一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行，我们知道热力学第二定律是一个统计规律，A对。

任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是熵增加的方向进行，则D对。

3.下列说法中正确的有（　　）

A．第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律，因此不可能制成

B．根据能量守恒定律，经过不断地技术改造，热机的效率可以达到100%

C．因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能真正出现的

D．自然界中的能量是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，因此要节约能源

解析：

选D　第一类永动机违背了热力学第一定律，第二类永动机违背了热力学第二定律，A错；热机的效率永远小于100%，因为要向低温热源散热，B错；虽然能量守恒，但可利用的能量越来越少，因此要节约能源，C错D正确。

4.

（1）在物理学中，反映自然过程方向性的定律是________________________。

（2）热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转变的方向性，机械能可以转变为内能，而内能____________________________________________________________

转变为机械能而不引起其他变化。

（3）引入熵的概念后，人们也把热力学第二定律叫做熵增加原理，具体表述为：

________________________________________________________________________

解析：

（1）反映自然过程方向性的定律是热力学第二定律。

（2）内能不能100%地转变成机械能而不引起其他变化。

（3）在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行。

答案：

（1）热力学第二定律

（2）不可能完全　（3）见解析

[课下综合检测]

一、选择题

1．（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以实现的

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

解析：

选AC　由热力学第二定律的物理意义知，A、C正确，D错误。

不违背能量守恒定律的物理过程，如果违背热力学第二定律，也是无法实现的，故B错误。

2．下列叙述中正确的是（　　）

A．对一定质量的气体加热，其内能可能减小

B．在任何系统中，一切过程都朝着熵增加的方向进行

C．物体的温度升高，分子热运动变得剧烈，每个分子动能都增大

D．根据热力学第二定律可知，热量能够从高温物体传到低温物体，但不可能从低温物体传到高温物体

解析：

选A　根据热力学第一定律可知，A对；在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行，故B错；物体的温度升高时，并不是每个分子动能都增大，故C错；热量可以从低温物体传到高温物体（引起其他变化），D错。

3．我们绝不会看到一个放在水平地面上的物体，靠降低温度可以把内能自发地转化为动能而运动起来。

其原因是（　　）

A．这违反了能量守恒定律

B．在任何条件下内能都不可能转化成机械能，只有机械能才会转化成内能

C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的

D．以上说法均不正确

解析：

选C　此现象说明了机械能和内能之间转化的方向性，并不违反能量守恒定律，因此，C正确，A、B、D错误。

4．在下列四个过程中，可能发生的是（　　）

A．某物体从高温热源吸收20kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生任何其他影响

B．打开一高压密闭容器，容器内的气体自发流出后又自发流回该容器里去，恢复原状

C．以引起其他变化为代价，使低温物体的温度更低，高温物体的温度更高

D．两瓶不同液体自发地互溶过程是朝着熵减小的方向进行的

解析：

选C　A错，违反了热力学第二定律；由于自发过程的方向性，可知B是错误的，C正确。

液体自发的互溶过程是不可逆过程，必然是朝着熵增加的方向进行的，故D错。

5．如图1所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K，P中充满气体，Q内为真空，整个系统与外界没有热交换，打开阀门后，P中的气体进入Q中，最终达到平衡，则（　　）

图1

A．气体的体积膨胀，内能增加

B．气体分子势能减少，内能增加

C．气体分子势能增加，压强可能不变

D．Q中气体不可能自发地全部退回到P中

解析：

选D　当阀门K被打开，P中气体进入Q中，由于Q中为真空，且系统与外界没有热交换，所以气体内能不变，选项A、B错误。

气体体积增大，温度不变，压强减小，选项C错误。

由热力学第二定律可知，Q中气体不可能自发地全部退回到P中，所以选项D正确。

6．（多选）如图2为电冰箱的工作原理示意图。

压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。

在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。

下列说法正确的是（　　）

图2

A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外

B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能

C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律

D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

解析：

选BC　热力学第一定律适用于所有的热学过程，C正确，D错误；由热力学第二定律可知，A错误，B正确。

二、非选择题

7．如图3甲、乙、丙所示，质量、温度相同的水，分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？

为什么？

图3

解析：

S气>S液>S固。

根据大量分子热运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又有一种表述：

由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向

发展，至少无序程度不会减少。

也就是说，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少。

质量、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，由液态向气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小。

答案：

S气>S液>S固　原因见解析

8．热力学第二定律常见的表述有两种。

第一种表述：

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；第二种表述：

不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。

图4

如图4甲所示是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：

外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体。

（1）请你根据第二种表述完成示意图乙。

（2）根据你的理解，热力学第二定律的实质是__________________________。

解析：

热机是能够从热源吸收热量，把内能转化为机械能的装置。

由热力学第二定律知热机的效率不可能达到100%，即热机工作时必定存在向低温物体的散热。

热力学第二定律的实质是一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

答案：

（1）示意图如图所示。

（2）一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性