2019-2020学年高中物理 第四章 能量守恒与热力学定律 第3节 宏观过程的方向性 第4节 热力

第3节宏观过程的方向性第4节热力学第二定律第5节初识熵第四章能量守恒与热力学定律1.了解自然界中热传导方向性的实例．2.了解热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质，并注意对热力学第二定律的理解和运用．3.知道熵的概念，了解熵增原理，能用熵增原理认识自然界中能量转化的方向性．第四章能量守恒与热力学定律一、宏观过程的方向性1．自然过程的方向性(1)热传递的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体．(2)扩散现象的方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体．气体的自由膨胀也是一种扩散现象，同样具有__________．(3)机械能与内能转化的方向性．(4)其他过程的方向性：如燃烧过程、爆炸过程等都具有方向性．方向性2．不可逆过程：某过程只沿某个方向发生，而不可能在没有外界影响(或不产生其他影响)的情况下沿__________方向发生．这些过程我们称之为不可逆过程．二、热力学第二定律1．热力学第二定律的克劳修斯表述：不可能把热量从_________物体传递到__________物体而不产生其他影响．2．热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量使之全部变为_________________而不产生其他影响.相反低温高温有用的功三、初识熵1．熵的概念：表示系统的__________程度．无序性大，熵__________；无序性小，熵__________．2．对熵的进一步认识(1)熵是系统__________的量度．(2)熵是__________过程的共同判据．(3)熵是系统状态的函数．3．熵增原理：孤立系统的熵总是__________的，或者孤立系统的熵总不__________．无序性大小无序度不可逆增加减少对热力学第二定律的理解及应用热力学第二定律理解中的几个问题(1)单一热源：指温度均匀并且恒定不变的系统．若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功．据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电．(2)其他影响：指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化，不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的过程中，一定伴随着其他变化或影响．同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是此过程的完成不产生其他影响的自发热传递是不可能的．(3)关于“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，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．(4)适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程．而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙．(5)两种表述是等价的：两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性．两种表述可以相互推导．(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．不可能把热量从低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化[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到低温物体，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．[答案]AD理解热力学第二定律的方法(1)理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性，理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化．”(2)还要正确理解哪些过程不会达到(100%的转化而不产生其他影响)．1.下列说法中正确的是()A．第二类永动机是不可能制成的，因为它违反了能量守恒定律B．热量不可能由低温物体传给高温物体C．气体的自发扩散过程具有方向性D．实际的宏观过程都会自发地往熵逐渐减少的方向进行解析：选C.第二类永动机是不可能制成的，它不违反能量守恒定律，但是违反了热力学第二定律，选项A错误；热量也可能由低温物体传给高温物体，但要引起其他的变化，选项B错误；根据热力学第二定律可知，气体的自发扩散过程具有方向性，选项C正确；实际的宏观过程都会自发地往熵逐渐增大的方向进行，故D错误．熵增原理“熵”是什么？“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度．能量分布得越均匀，熵就越大．如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值．简单地说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度．在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的．比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了．这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了．对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的．比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面相等，势能取平为止．克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变平均等，也即“熵将随着时间而增大”．(1)由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率较大的宏观状态．在自然过程中熵总是增加的，其原因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多．把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多．(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，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．如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．根据你对熵增原理的理解，举出一些系统从有序变为无序的例子．[解析]根据熵增原理，自然界的一切自发的过程总是朝着熵增加的方向进行，而熵是描述系统无序程度的物理量．熵越大，无序程度越高，所以，熵的增加就意味着系统无序程度的增加，即从有序向无序的方向转化．[答案]举例：燃料的燃烧；气体的扩散；破镜不能复原；覆水难收；一切生命体从生到亡等一切自发的不可逆的过程都是从有序到无序．2.下面关于熵的有关说法错误的是()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．熵值越大代表着越无序解析：选C.如果过程是可逆的，则熵不变，如果不可逆，则熵是增加的，而且一切自然过程都是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．