高中物理 第10章 热力学定律 第4节 热力学第二定律 第5节 热力学第二定律的微观解释

1、物,理,选修,3-3,人教版,新课标导学,第十章,热力学定律,第四节,热力学第二定律,第五节,热力学第二定律的微观解释,了解热力学第二定律的多种表述,知道热传导及宏观过程的方向性,了解热力学第二学定律的微观解释,知道熵及熵增加原理,1,课,前,预,习,2,课,内,探,究,3,素,养,提,升,4,课,堂,达,标,5,课,时,作,业,课,前,预,习,1,可逆与不可逆过程,热传导的方向性,热传导的过程可以自发地由,_,物体向,_,物体进行，但相反方向,却不能,_,进行，即热传导具有,_,性，是一个不可逆过程,2,热力学第二定律的一种表述,克劳修斯表述,热量不能自发地从,_,物体传递到,_,物体,热力

2、学第二定律的一种表述,高温,低温,自发地,方向,低温,高温,1,开尔文表述,不可能从,_,吸收热量，使之完全变成,_,而不产生,其他影响,2,热力学第二定律的其他描述,1,一切宏观自然过程的进行都具有,_,2,气体向真空的自由膨胀是,_,的,热力学第二定律的另一种表述,单一热库,功,方向性,不可逆,1,有序,只要确定了某种规则,_,这个规则的就叫做有序,2,无序,不符合某种,_,的称为无序,3,宏观态,_,某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态,4,微观态,在宏观状态下，符合,_,的规定、规则的状态叫做这个宏观,态的微观态,有序和无序,宏观态和微观态,符合,确定规则,符合,另外,热力学第

3、二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着分子,热运动的,_,的方向进行,气体向真空的扩散,无序性增大,1,熵,1,微观状态的数目用,表示，用,S,表示熵，则,S,_,k,称为玻耳兹曼常,数,2,熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的,_,决定。从分子,动理论的观点来看，熵是分子热运动,_,程度的定量量度,2,熵增加原理,在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵,_,叫做熵增加原理。对于,其他情况，系统的熵可能增加，也可能减小,熵及熵增加原理,k,ln,状态,无序,混乱,不会减小,判一判,1,机械能可以完全转化为内能,2,内能不可能完全转化为机械能,3,能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违

4、背热力学第二定律,4,一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的,5,一个宏观态所对应的微观态数目越多，则熵越大,选一选,下列说法正确的是,A,热量不能从低温物体传到高温物体,B,功可以完全变成热，热不能完全变成功,C,改进热机的生产工艺，总有一天热机的效率可以达到,100,D,气体向真空的自由膨胀是不可逆的,解析,在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体,A,错；在一定条件下热可以全部变成功,B,错；热机的效,率在任何条件下都不可能达到,100,C,错；一切宏观自然,过程的进行都具有方向性,D,正确,D,想一想,成语语,覆水难收”指的是一盆水泼,出去后是不可能再倒回盆中的。请从,不同宏

5、观态所对应的微观态数目不同,这个角度，解释为什么水不会自发地,聚到盆中,答案,由于盆的形状确定，水在盆中所处的宏观态对应的微观态数目少，较,为有序。当把水泼出后，它的形状不受盆的限制，各种可能的形状都有，此时所,处的宏观态对应的微观态数目将变得非常多，较为无序。因为自发的过程总是从,有序向无序发展，所以水不会自发地聚到盆中,课,内,探,究,一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率,1kW,制冷能力,1.2,10,4,kJ,h,制热能力,1.3,10,4,kJ,h,这,样，该空调在制热时，每消耗,1J,电能，将放出,3J,多热量，是指标错误还是能量不守恒,探究一,热力学第二定律的理解,提示,都不是

6、。空调制冷,制热,靠压缩机做功，从室内,室外,吸收热量放到室,外,室内,在制热时,放出的热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和,完全,可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律,1,单一热库,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

7、,功，而是这样做的结果，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，而是指不产生其他影响,的自动热传递是不可能的,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,根据热力学定律，下列判断正确的是,A,我们可以把

8、火炉散失到周围环境中的能量全部收集到,火炉中再次用来取暖,B,利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,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,制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化,D,满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行,B,解题指导,利用热力学第二定律解决问题时,1,明确热力学第二定律的两种表述是等效的。其实质是自然界中,进行的所有涉及热现象的宏观物理过程都具有方向性,2,特别注意“不产生其他影响”和“产生其他影响”。热量可以,从低温物体传到高温物体，但要“产生其他影响,3,热机的效率总是小于,1,因为它总要向低温热源散热,解析,热

9、量不能自发地从低温物体传到高温物体，所以不能把散,失的能量全部收集起来重新加以利用,A,错；由热力学第二定律可,知,B,正确；热量从低温物体传给高温物体时一定会发生其他变化,C,错；只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不,可能发生的,D,错,对点训练,1,如图中气缸内盛有定量的理想气体，气缸壁,是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑,的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接，使其缓慢地向右移,动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气,体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是,A,气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二,定律,B,气体从单一

10、热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力,学第二定律,C,气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二,定律,D,ABC,三种说法都不对,C,解析,热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性,来描述是：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。本题中如果没有外界的帮助，比,如外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功,导致气体温度略微降低，是不可能从外界吸收热量的,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全用来对外做功,但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律,如图将一滴红墨水滴入一杯清水中，红墨水会逐渐扩散到整杯水中，呈均匀,分

11、布，试说明这个过程中熵的变化,提示,墨水原来处于较小的空间,一滴,无序度小，后来处于较大空间，无序,度大，故熵变大,探究二,对热力学第二定律微观意义的理解,1,有序、无序的含义,1,无序”意味着各处一样、平均、没有差别，而有序则,正好相反,2,有序”与“无序”是相对的,2,熵的含义,有序”和“无序”是相对而言的，是从有序程度上讲的,熵是宏观态无序程度的量度，熵越高，意味着宏观态所,对应的微观态数目越多，即越无序，熵越低即越有序,3,热力学第二定律的微观解释,高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但,是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体。所,以在高温物体分子与低温物体分子的碰

12、撞过程中，低温物,体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升,高了。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物,体的温度降低了。所以从宏观热现象角度来看，热传递具,有方向性，总是从高温物体传给低温物体。换一种角度看,初始我们根据温度的高低来区分两个物体，而终了状态,两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们就说系统的,无序程度增加了,同理可知，在通过做功使系统内能增加的过程中，是大量,分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程,多选,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

13、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,解题指导,热传递过程是大量分子由无序程度小转化为无序程度,大的过程，体现了自然过程的方向,CD,解析,分子热运动是大量分子无规则运动，系统的一个宏,观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根,据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序,而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就是,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,C,D,项正确,对点训练,2,如图，质量、温度相同的水，分别处于固态

14、、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,答案,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，可以由固体自发地向液体,气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液体，固态时的熵,最小,素,养,提,升,1,热力学第二定律与第一定律的比较,规律,区别联系,热力学第一定律,热力学第二定律,区别,热力学第一定律是能量守恒定律,在热力学中的表现，否定了创造,能量和消灭能量的可能性，

15、从而,否定了第一类永动机,热力学第二定律是关于在有限,空间和时间内,一切和热现象有,关的物理过程,化学过程具有不,可逆性的经验总结,从而否定了,第二类永动机,联系,两定律都是热力学基本定律,分别从不同角度揭示了与热现象有关,的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力,学的理论基础,2,两类永动机的比较,比较项,第一类永动机,第二类永动机,设计要求,不消耗任何能量,可以不断地对外,做功,或只给予很小的能量启动,后，可以永远运动下去,将内能全部转化为机械能,而不引,起其他变化,或只有一个热库，实,现内能与机械能的转化,不可能的,原因,违背了能量守恒定律,违背了热力学第二定律,关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法,正确的是,A,第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定,律,B,第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定,律,