第5章第2节 热力学第二定律未弄.docx

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第5章第2节热力学第二定律未弄

第3节　热力学第二定律

第4节　熵——无序程度的量度

[目标定位]　1.了解自然过程的方向性．　2.知道热力学第二定律的表述并能用于解释第二类永动机不可能制成的原因．

3．了解熵的概念及熵加原理，并能解释生活中的有关现象．

一、自然过程的方向性

1．可逆过程和不可逆过程：

（1）可逆过程：

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和外界完全复原，则原来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．

（2）热量不能自发地由低温物体传给高温物体，而不引起其他变化．

（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．

二、热力学第二定律的表述

1．第一种表述（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．（说明热传导的方向性）

2．第二种表述（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．

三、熵和熵增加原理

1．定义：

用来量度系统无序程度的物理量叫做熵．

2．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．孤立系统是指与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统.

一、对热力学第二定律的理解

1．两种表述的实质：

（1）克劳修斯表述指明热传递等热学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助，其物理实质是揭示了热传递过程是不可逆的．

（2）开尔文表述中的“单一热源”指温度恒定且均匀的热源．“不引起其他变化”是指唯一效果是热量全部转变为功而外界及系统都不发生任何变化．其物理实质揭示了热变功过程是不可逆的．

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．

【例1】　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．

借题发挥　

（1）一切物理过程均遵守能量转化与守恒定律，但遵守能量守恒的物理过程不一定均能实现．

（2）热力学第二定律的关键在于“自发性”和“方向性”．

针对训练　关于空调机，下列说法正确的是（　　）

A．制冷空调机工作时，热量从低温物体传到高温物体

B．制暖空调机工作时，热量从高温物体传到低温物体

C．冷暖空调机工作时，热量既可以从低温物体传到高温物体，也可以从高温物体传到低温物体

D．冷暖空调机工作时，热量只能从低温物体传到高温物体

答案　ABC

解析　空调机工作时，热量可以从低温物体传到高温物体，因为这里有外界做功．

二、两个热力学定律及两类永动机的比较

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、化学过程具有不可逆性．

2．两类永动机的比较：

第一类永动机：

不消耗任何能量，可以不断做功（或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去）．它违背了能量守恒定律．

第二类永动机：

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）．它违背了热力学第二定律．

【例2】　下列说法正确的是（　　）

A．物体吸收热量，其温度一定升高

B．热量只能从高温物体向低温物体传递

C．遵守热力学第一定律的过程一定能实现

D．做功和热传递是改变物体内能的两种方式

答案　D

解析　物体吸热，温度不一定升高，A错．热量只能自发地从高温物体向低温物体传递，B错．遵守热力学第一定律的过程不一定能实现，C错．应选D.

借题发挥　热力学第一定律和热力学第二定律的应用技巧

（1）应用热力学第一定律，一定要考虑改变物体内能的两种方式，只有做功和热传递两方面都确定，才能确定物体内能的变化．

（2）热力学第二定律的理解，关键是对热现象宏观过程的方向性的理解，要抓住“自发”和“不引起其他变化”等所表述的物理意义．

【例3】　第二类永动机不可能制成的原因是（　　）

A．违背了能量守恒定律

B．热量总是从高温物体传递到低温物体

C．机械能不能全部转化为内能

D．内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化

答案　D

解析　第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，所以不可能制成．

借题发挥　凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性，机械能可全部转化成内能，而内能不能全部转化成机械能，而不引起其他变化．

三、对熵和熵增加原理的理解

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．

【例4】　下列关于熵的观点中正确的是（　　）

A．熵越大，系统的无序度越大

B．对于一个不可逆绝热过程，其熵总不会减小

C．气体向真空扩散时，熵值减小

D．自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多

答案　ABD

解析　熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，选项A正确；一个不可逆绝热过程，其宏观状态对应微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，选项B正确；气体向真空中扩散，无序度增大，熵值增大，选项C错误；自然过程中，无序程度较大的宏观态出现的概率大，因而通向无序的渠道多，选项D正确．

借题发挥　热力学第二定律的微观本质是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．

（1）这说明一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的，具有方向性．

（2）熵增加原理是对自然过程的一种限制．

（3）对于任何自然过程，总能量必定守恒，总熵必定增加.

对热力学第二定律的理解

1．根据热力学第二定律，下列判断正确的是（　　）

A．电流的能不可能全部变为内能

B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能

C．热机中，燃气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

答案　BCD

解析　根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能（由焦耳定律可知），而内能不可能全部变成电流的能，而不产生其它影响．机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能．在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体．

两个热力学定律的理解应用

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的转化规律，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　热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热学中的具体体现．热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故选项C、D错误，选项B正确；内能在一定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作还要消耗电能，故选项A错误．

3．关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是（　　）

A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%

B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的

C．第二类永动机遵从能量守恒，故能做成

D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105J，同时空气向外界放出热量1.5×105J，则空气的内能增加了0.5×105J

答案　D

解析　由热力学第二定律知，B、C错；绝对零度不可能达到，A错；由热力学第一定律知D正确．

熵增加原理

4．关于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是（　　）

A．系统的总熵只能增大，不可能减小

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

答案　AC

解析　在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵总是增加的，它不可能减小，故A正确、B错误；根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展，故C正确、D错误.

（时间：

60分钟）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

题组一　热力学第二定律的理解

1．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．一切不违反能量守恒与转化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．

2．关于热力学定律和分子动理论，下列说法中正确的是（　　）

A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化

B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的

C．在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小

D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大

答案　B

解析　由热力学第二定律可知，A错误、B正确；由分子间作用力与分子间距的关系可知，C项错误；温度升高时，物体中分子平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，即并不是每个分子的运动速率都增大，故D项错误．

3．以下说法正确的是（