10.4热力学第二定律10.5微观解释

10.4热力学第二定律学习目标1.了解热传导过程的方向性．2．知道第二类永动机不可制成．3．了解热力学第二定律的两种不同的表述以及这两种表述的实质．4．能根据热传导的方向性和热力学第二定律分析判断生产生活中的热现象发生的原因．引言英国物理学家开尔文（1824-1907）德国物理学家克劳修斯（1822-1888）热力学第二定律的杰出奠基人：法国物理学家卡诺(1796-1832)一、自然过程的方向性。人类经验：一切自然界所发生的过程均带有方向性！设计热现象的过程，如不施加外力，必然是自动进行的，这样的过程就叫做自发过程热从高温物体传到低温物体；气体从高压处传到低压处；一切自发过程都具有方向性，及一定的进行限度，人类经验没有发现哪一个自发过程可恢复原状。热力学第二定律——实践中总结出来的规律阅读：思考与讨论57页自发过程的共同特征—不可逆性任何自发过程的逆过程是不能自动进行的。自发过程的逆转，但必须外力帮助(外界对之做功)。例如：•用制冷机可以将热由低温物体转移到高温物体；•用压缩机可将气体由低压容器抽出，压入高压容器；•用水泵可以将水从低处打到高处。注意：外力帮助下的逆转系统复原了，但外界环境不能复原。二、揭示宏观自然过程的方向性定律——热力学第二定律1、热力学第二定律的表述（一）热量不能自发地从低温物体传到高温物体——克劳修斯表述1850年思考：电冰箱为什么能把热量传递到高温的空气中？“电能”的帮助-非自发过程克氏表述：阐述的是传热的方向性二、揭示宏观自然过程的方向性定律——热力学第二定律2、热力学第二定律的表述（二）不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响——开尔文表述1851年开氏表述：阐述的是机械能与内能转化的方向性方向性1、机械能可以完全转化为内能；内能不可以全部用来做功以转化为机械能方向性2、机械能可以自发转化为内能；内能转化为机械能不能自发进行而不产生其它影响热机热机蒸汽热机能量转化总结果：从高温热源吸收的热（Q1），一部分对外做了功（—W），另一部分（Q2）传给了低温热源（冷凝器）热机效率：热机对外作的功与从高温热源吸收的热量之比。HWQ热机效率不可能达到100%——第二类永动机是根本不能实现的。QL不可能为零学习自测一、自然过程的方向性自然界里的一切变化过程都有方向性，即朝某些方向的变化是可以_______发生的，相反方向的变化却受到限制．例如：燃烧、______现象、山石滚落、风化、________和气体向真空中自由膨胀等．二、热机的效率和第二类永动机1．热机的效率：用Q1表示燃料产生的热量，W表示推动活塞做的功，Q2表示散发到大气中的热量，则Q1＝________自发扩散热传递W＋Q2η表示热机效率，则η＝WQ1，由于Q1＞W，所以η__1.＜2．第二类永动机：仅从______热源吸热，同时不间断地做功的永动机，即效率100%的热机．第二类永动机不可能制成，这表明机械能和内能的转化过程具有_____性，机械能可以全部转化成内能，内能却_____全部转化成机械能，而_____引起其他变化．三、热力学第二定律表述一：不可能使热量由_____物体传递到_______物体，而不引起其他_______．表述二：不可能从__________吸收热量并把它全部用来_______，而不引起其他变化．热力学第二定律使人们认识到：自然界中涉及热现象的宏观过程都具有_________．单一方向不能不低温高温变化单一热源做功方向性二、揭示宏观自然过程的方向性定律——热力学第二定律3、热力学第二定律的表述（三）气体向真空的自由膨胀是不可逆的课堂互动讲练对热机效率的理解例1热机甲的效率比热机乙的效率高，这表示()A．热机甲的功率一定比热机乙大B．热机甲消耗的燃料一定比热机乙少C．热机甲把内能转化为机械能的百分比一定比热机乙大D．热机乙把内能转化为机械能的百分比一定比热机甲大【精讲精析】根据热机效率的定义可知，热机甲的效率比热机乙高，表示热机甲所做的有用功的能量占燃料完全燃烧释放出的总能量的百分比比热机乙大．故只有选项C正确，D选项错误．热机效率的大小与功率的高低无关，故A选项错误；热机消耗燃料的多少与所做的功的多少有关，与热机效率无关，故选项B错误．【答案】C【方法总结】注意区别热机的功率和热机效率两个概念．变式训练1热机的效率越高，表示这种热机的()A．功率越大B．做功越多C．燃料燃烧放出的热量多D．用来做有用功的能量跟燃料完全燃烧放出的总能量的比值越大解析：选D.功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积．功率表示做功的快慢，在数值上等于单位时间内完成的功．而热机的效率等于在热机中用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比．功、功率、热机的效率是物理意义完全不同的概念．它们之间数值的大小没有必然联系．所以A、B不正确．而热机效率高并不能说明燃料燃烧放出的热量多．所以C也是错误的．应选D.有关永动机问题例2第二类永动机不可能制成，是因为()A．违背了能量的守恒定律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，同时不引起其他变化【精讲精析】第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但却违背了涉及热现象的能量转化过程是有方向性的规律，故选项A错；在引起其他变化的情况下，热量也可由低温物体非自发地传递到高温物体，选项B错；机械能可以全部转化为内能，如物体克服摩擦力做功的过程，故选项C错；显然选项D为正确的表述．【答案】D【方法总结】第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机不违反能量守恒定律，但是违反热力学第二定律．变式训练2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B．第二类永动机违背了能量转化的方向性C．自然界中的能量是守恒的，所以不用节约能源D．自然界中的能量尽管是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源解析：选BD.第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背了能量转化的方向性，故A错，B对．热力学第二定律的应用例3根据热力学第二定律分析，下列说法中正确的是()A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体C．机械能可以全部转化为内能，但变化的内能不可以全部转化为机械能D．机械能可以全部转化为内能，变化的内能也可以全部转化为机械能【精讲精析】根据热传递的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地(不需要外界帮助)从低温物体传到高温物体．借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱就是接通电源后，压缩机对“制冷剂”(氟利昂等)做功，把热量从冰箱内部(低温物体)传向外部(高温物体)达到制冷目的，故选项A错误，B正确．机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功而最终停止运动时，机械能全部转化为内能)，不管在什么条件下，变化的内能不可能全部转化为机械能．利用能量耗散原理即可说明．故C对，D错．【答案】BC变式训练3根据热力学第二定律，下列判断正确的有()A．热机中燃气的内能不可能全部转化成机械能B．电流的能不可能全部转化成内能C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化成电能D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体10.5热力学第二定律的微观解释一、有序和无序宏观态和微观态1．有序和无序(1)有序：只要确定了某种规则，则符合它的就叫有序．(2)无序：不符合某种确定规则的称为无序．2．宏观态和微观态(1)宏观态：符合某种规定、规则的状态．(2)微观态：在宏观态下符合另外的规定、规则的状态叫这个宏观态的微观态．(3)系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小．“宏观态”对应的“微观态”越多则越无序．名师点睛：有序态指的是对应着较少微观态那样的宏观态.二、热力学第二定律的微观解释1．微观意义一切自然过程总是沿着分子热运动的____________增大的方向进行的．无序性2．熵(1)概念：表示系统______________的物理量，其微小变化量为热量与温度的比值，即ΔS＝ΔQ.T无序程度(2)熵S与系统微观态数目Ω的关系：S＝klnΩ(3)熵是一个状态函数，仅由系统的状态决定．熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度．3．熵增加原理在绝热过程或孤立系统中，熵总不会减小；即在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会__________．它就是热力学第二定律的微观表述．减小名师点睛：非孤立系统或非自然过程中，系统的熵可能增加，也可能减小.三、热力学第三定律1．内容－273.15℃(1)绝对零度：温度的下限，为0K＝__________.(2)表述一：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度，即绝对零度达不到．(3)表述二：当温度趋向于绝对零度时，体系的熵趋向于一个固定的数值，而与其他性质如压强无关；即趋于绝对零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋于零．2．理解绝对零度达不到，因此绝对零度值不是测出来的，而是用在相当接近理想状态的条件下得到的实验结果外推后，用数学方法求得的．1．下列过程中，可能发生的是()CA．某工作物质从高温热源吸收20kJ的热量，全部转化为机械能，而没有其他任何影响B．打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复原状C．利用其他手段，使低温物体的温度更低，高温物体的温度更高D．将两瓶不同的液体自发互溶，然后又自发地各自分开2．以下说法不正确的是()CA．电冰箱的食品温度比室内温度低，说明在一定条件下热传导也可以由低温物体向高温物体进行B．内能可以转化为机械能C．能量的耗散否定了能量的转化与守恒定律D．能量的耗散说明自然界的宏观过程具有方向性解析：热量在外界条件下可以由低温物体向高温物体传递；自然界的宏观过程都具有方向性．3．下列说法，正确的是()DA．机械能和内能之间的转化是可逆的B．气体向真空的自由膨胀是可逆的C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较有序的D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较无序的解析：机械能可以全部转化为内能，而内能却不能全部转化为机械能；气体向真空的自由膨胀是不可逆的；若一个“宏观态”对应的“微观态”较多，则表示其无序性程度高．4．(双选)下列说法正确的是()BCA．冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵从热力学第二定律B．空调工作时消耗的电能与室内温度降低所放出的热量可以相等C．自发的热传导是不可逆的D．不可能通过给物体加热而使它运动起来解析：有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传到高温物体；空调消耗的电能是热量逆向传递产生的其他影响，可与传递的热量相等，事实上空调的能效比是大于1的；内能可以转化为机械能，只是不能完全转化而不产生影响．要点熵增加原理的理解和应用1．理解(1)熵增加原理是热力学第二定律的微观表述．(2)熵是个状态函数，表示系统的无序程度，无具体表达式，其变化量才是重点．(3)熵越大，系统无序度越高，越混乱．2．适用范围(1)自然过程中的孤立系统．(2)超出范围之外，系统可能会朝有序方向发展，比如人类改造自然．3．热力学第二定律的微观意义从微观的角度看，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，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展．[例题](双选)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：CD1．下列关于熵的有关说法错误的是()CA．熵是系统内分子运动无序性的量度B．在自然过程中熵总不会减小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解析：如果过程是可逆的，