2019-2020学年高中物理 第5章 热力学定律 第3节 热力学第二定律 第4节 熵——无序程度的

第3节热力学第二定律第4节熵——无序程度的量度第5章热力学定律1.热力学第二定律的两种不同表述以及对两种表述的理解．(重点)2.对熵和熵增加原理的理解．(难点)第5章热力学定律一、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________原来过程对外界的一切影响，则原来的过程为可逆过程．(2)不可逆过程：如果用任何方法都不能使______与_______完全复原，则原来的过程为不可逆过程．2．热传导的方向性：温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从_______物体传给_______物体，但不会自发地从______物体传给_______物体．这说明：热传导具有_________．消除系统外界高温低温低温高温方向性3．功转变为热的方向性在焦耳的叶轮搅水实验中，重物下落使水温上升，是_________转化为_______的过程；与此相反过程，即水温自动降低，产生水流，推动叶片转动，带动重物上升的过程是不可能发生的，尽管它不违背_________________．这说明：功转变为热具有_________．机械能内能热力学第一定律方向性4．热转变为功的方向性(1)热机：消耗_______对外做功的装置．(2)原理：热机必须工作在两个______________的热源之间，通过工作物质，将从高温热源吸收的热量，一部分用来____________，另一部分完全损耗掉，损耗的热量不可能再自动地收集起来．这说明：热转变为功具有___________．5．结论：凡是与热现象有关的宏观过程都具有__________．内能温度不同对外做功方向性方向性二、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．2．第二种表述(开尔文表述)：不可能从______________吸取热量，使之完全变为___________，而不引起其他变化．热力学第二定律的这两种表述是_________．热现象的宏观过程是____________．单一热源有用功等价的不可逆的1．(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．()(2)热量不会自发从高温物体传给低温物体．()(3)由冰箱能自发地把热量从低温物体传给高温物体．()提示：(1)√(2)×(3)×3．第二类永动机(1)定义：从____________吸收热量并使之______转化为功而不产生其他影响的机器．(2)第二类永动机不可能制成：第二类永动机并不违背热力学____________，但违背了热力学____________．(3)热力学第二定律的又一种表述：第二类永动机是_________制成的．单一热源完全第一定律第二定律不可能2．(1)可以从单一热库吸收热量，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．()提示：(1)√(2)×(3)√三、有序和无序1．热传导这个过程使无序程度______．2．机械能转变为内能的过程是大量分子的____________向____________的转化过程．3．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______的方向进行．4．定义：用来量度系统____________的物理量叫做熵．5．熵增加原理：在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着_________的方向进行，这就是熵增加原理．孤立系统是指与外界既没有物质交换也没有______交换的系统．增加有序运动无序运动增大无序程度熵增加能量3．(1)熵值越大代表着越有序．()(2)一个宏观态所对应的微观态数目越多，则熵越大．()(3)孤立系统的总熵可能增大，也可能减小．()提示：(1)×(2)√(3)×热力学第二定律的理解1．克劳修斯表述“不可能使热量由低温物体传向高温物体而不引起其他变化”这句话包含以下三层意思：(1)热量会自发地从高温物体传给低温物体，在传递过程中不会对其他物体产生影响；(2)如果有其他作用，热量有可能由低温物体传递到高温物体；(3)如果没有其他作用，热量就不可能由低温物体传递到高温物体．2．开尔文表述“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化”这句话包含以下三层意思：(1)从单一热源吸收热量，一般来说只有部分转化为机械能，所以第二类永动机是不可能制成的；(2)机械能转化为内能是自然的，可以全部转化；(3)如果引起其他变化，可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功．“不能自发发生”不是不能发生，只是说明这种事件的发生是需要条件的．(多选)关于热传导的方向性，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．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体D．热量不可能从低温物体传给高温物体[思路点拨]热传导具有方向性，即自然过程具有方向性．虽然热量不能自发地从低温物体传向高温物体，但是有外界的影响和帮助，如在外力做功的情况下就可以实现热量从低温物体传向高温物体．电冰箱就是一例．[解析]在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，而热量只能自发地从高温物体传给低温物体．[答案]AC1.(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.热力学第一、第二定律的关系及应用1．热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化．热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性，告诫人们：第一类永动机不可能制成．热力学第一定律只有一种表述形式．2．热力学第二定律揭示了涉及热现象的宏观过程的方向性．如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种物理过程及其运动形式的转化过程都具有方向性，告诫人们：第二类永动机不可能制成．热力学第二定律有多种表述形式．3．两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响．所以二者相互独立，又相互补充．4．第一类永动机违背了能的转化与守恒定律．第二类永动机虽然不违背能的转化和守恒定律，但因为机械能和内能的转化过程是具有方向性的，热机工作时从高温热源吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温热源，也就是说，热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做机械功的热量仅是它从高温热源吸收热量的一部分，绝不会是全部．所以第二类永动机是不可能制成的．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”．另外，还要正确区分热力学第一定律和热力学第二定律．下列说法正确的是()A．对物体做功不可能使物体的温度升高B．在绝热条件下压缩气体，气体的内能一定增加C．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作是不遵守热力学第二定律的D．从单一热源吸收热量使之全部变成有用的机械功是不可能的[解析]对物体做功可使物体的内能增加，温度升高，如用打气筒打气时筒壁变热，A错误；由于是在绝热条件下，气体的内能一定增加，B正确；在一定条件下，热量可以由低温物体传到高温物体，但引起了外界变化，C错误；从单一热源吸热，并使之全部变成有用功也是可能的，只是会引起其他变化，D错误．[答案]B2.(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是()A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D．任何条件下都不可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功解析：选AC.根据热力学第一定律A对，B错；根据热力学第二定律，若有外界的影响，则可实现从单一热源吸热使之完全变为功以及使热量从低温物体传到高温物体，C对，D错．对熵和熵增加原理的理解1．熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样，系统越混乱无序程度越大，这个系统的熵就越大．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．3．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．4．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．熵增加原理的适用对象是孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少．质量相同、温度相同的水，如图所示分别处于气态、液态和固态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？[思路点拨]本题考查物体三种状态的无序程度，三种状态中气态无序程度最大，熵最大．[解析]根据大量分子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，这也就是说，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．质量相同、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、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]见解析3.(多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法中正确的是()A．大量分子无规则的热运动能够自发转变为有序运动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解析：选CD.热传递的过程中热量从温度高的物体向温度低的物体传递，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，而不是从有序运动向无序运动状态的转化；大量分子的运动不可能从无序运动自动转为有序运动；自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．A、B错误，C、D正确．自然过程的方向性是热力学第二定律的本质．本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放