第5章-第3节 热力学第二定律+第4节 熵——无序程度的量度

1、.第3节热力学第二定律第4节熵无序程度的量度学 习 目 标知 识 脉 络1.理解热传导及宏观过程的方向性重点2理解热力学第二定律的多种表述，并用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成的原因重点3理解熵的概念及熵增加原理，并能解释生活中的有关现象难点自然过程的方向性热力学第二定律的表述1自然过程的方向性1可逆过程和不可逆过程可逆过程一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，假如存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即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，那么原来的过程称为可逆过程不可逆过程假如用任何方法都不能使系统与外界完全复原，那么原来的过程称为不可逆过程2热传导的

2、方向性热量可以自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分热量不能自发地由低温物体传给高温物体热传递是不可逆过程，具有方向性3功和热互相转变的方向性功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性4结论但凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性2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汲取热量，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热力学第二定律的这两种表述是等价的热现象的宏观过程是不可逆的3第二类永动机定义从

3、单一热源汲取热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器第二类永动机不可能制成第二类永动机并不违犯热力学第一定律，但违犯了热力学第二定律热力学第二定律的又一表述第二类永动机是不可能制成的1第一类永动机违犯了能量守恒定律2机械能可以转变为内能，内能不可以转变为功×3在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体1有可能制成第二类永动机吗？【提示】第二类永动机不可能制成，尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性2请举出日常生活中的一些不可逆过程【提示】破镜不能重圆水从高山流到河谷，不可能自己再返回高山一滴墨水滴入一杯清水

4、中，墨水扩散均匀后，不可能再自动地凝聚成一滴墨水讨论1：一杯热水放在教室里，热水中的热量会自发地传递给空气其中“自发地的含义是什么？【提示】“自发地是指没有受到任何外界影响或者干扰讨论2：空调和电冰箱工作时，热量从低温物体传递给高温物体电冰箱和空调违背热力学第二定律吗？为什么？【提示】不违背；因为这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即必须开动空调、电冰箱的压缩机消耗电能1对两种表述的理解1热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联络，然而实际上它们是等价的，即由其中一个，可以推导出另一个2“不引起其他变化是指使热量从低温物体传递到高温物体时外界不消耗任何功或从单一热源吸收热量全部用

5、来做功而外界及系统都不发生任何变化3克劳修斯表述是说热量不能自动地从低温物体转移到高温物体假如外界消耗一定量的功，把热量从低温物体转移到高温物体是完全可能的，如电冰箱和空调机的制冷过程4开尔文表述说明了在引起其他变化或产生其他影响的条件下，热量可以完全转化为功，如理想气体的等温自由膨胀，内能不变，吸收的热量全部转化为功，但却引起了体积的膨胀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提醒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，都是不可逆的图5­3­13热力学第二定律的推广对任何一类宏观自然过程进展方向的说明，

6、都可以作为热力学第二定律的表述例如，在图5­3­1中，盒子中间有一个挡板，左室为真空，右室有气体撤去挡板后，右室的气体自发向左室扩散，而相反的过程不可能自发地进展因此，热力学第二定律也可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的1以下关于热力学第二定律的说法正确的选项是A所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生B一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能而不引其他影响D气体向真空的自由膨胀是可逆的E热运动的宏观过程会有一定的方向性【解析】热运动的宏观过程会有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不能都真的发

7、生，故A错误，E正确；根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，所以气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确，D错误；根据热力学第二定律，不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，所以机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能，故C正确【答案】BCE2根据热力学第二定律，以下说法中正确的选项是A电流的电能不可能全部转变成内能B在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能C在热机中，燃气的内能不可能全部转变为机械能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E热量可以从低温物体传向高温物体，而不引起其他的影响【解析】电能可以全

8、部转化为内能，如纯电阻电路，而燃气的内能不可能全部转化为电能和机械能，故A错误，B、C正确；根据热力学第二定律关于热传导的描绘知，D正确，E错误【答案】BCD3以下说法中正确的选项是A机械能全部转化为内能是不可能的B机械能可以全部转化为内能C第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会消失，也不会创生，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式D根据热力学第二定律可知，热量可能从低温物体传到高温物体E从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的【解析】机械能可以全部转化为内能，故A错误，B正确；第二类永动机不可能制造成功是因为它违犯了热力学第二定律，故C错误；热量不能自发地从低

9、温物体传到高温物体，但假如不是自发地，是可以进展的，故D正确；从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但假如是从单一热源吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故E正确【答案】BDE理解热力学第二定律的方法1理解热力学第二定律的本质，即自然界中进展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正确理解哪些过程不会到达100%的转化而不产生其他影响熵1有序与无序1温度上下的区别在于分子的平均动能不同热传导这个不逆过程使无序程度增加了2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增大的方向进展2熵和熵增

10、加原理1熵的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展，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3无处不在的熵在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量逐渐丧失做功的本领，从可利用状态转化为不可利用状态，能量品质退化了，这种现象称为能量退降1熵是系统内分子运动无序性的量度2在自然过程中熵总是增加的3熵值越大代表越有序×成语“覆水难收指一盆水泼出后是不可能再回到盆中的，请结合熵的变化解释为什么水不会自发地聚到盆中【提示】由于盆的形状确定，水在盆中时，空间位置和所占据的空间的体积一定，显得“有序“整齐和“集中，系统的

11、熵低当把水泼出后，它的形状不再受盆的限制，各种可能的形状都有，占据的空间面积和所处的位置都有多种可能，显得“混乱“分散，较为“无序，系统的熵高水泼出的过程属于从有序向无序的转化过程，导致熵的增加，符合熵增加原理反之，水聚到盆中的过程，属于从无序向有序的转化，即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理，因此水不能自发地聚到盆中讨论1：熵的大小与无序性的大小有什么关系？【提示】熵值越大其无序性越大讨论2：在自然过程中，孤立系统的熵一定增大吗？【提示】在自然过程中，孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态开展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

12、然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，假如过程可逆，那么熵不变；假如过程不可逆，那么熵增加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展或者说，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开展，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开展4在以下表达中，正确的选项是A熵是物体内分子运动无序程度的量度B对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向减少的方向进展C热力学第二定律的微观本质是：熵总是增加的D熵值越大，说明

13、系统内分子运动越无序E能量耗散说明能量在不断减小【解析】熵是物体内分子运动无序程度的量度，系统内分子运动越无序，熵值越大，故A、D正确；对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向增加的方向进展，故B错误；根据热力学第二定律，扩散、热传递等现象与温度有关，但凡与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，其本质说明熵总是增加的，故C正确；能量耗散是指能量的可利用率越来越低，但能量仍然是守恒的，故E错误【答案】ACD5对于孤立体系中发生的实际过程，以下说法中正确的选项是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无序的状态开展D系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态开展E在自然的可逆过程中，孤立系统的总熵不变【解析】根据熵增加原理，一个孤立系统发生的实际过程，总熵只能增大，A正确，B错误；对于可逆的自然过程，总熵