第3、4节　热力学第二定律　熵-系统无序程度的量度　

第3、4节热力学第二定律熵——系统无序程度的量度核心素养导学物理观念(1)了解热力学第二定律的内涵。(2)知道自然界宏观过程的方向性。(3)了解熵的概念和熵增加原理。(4)了解能量与能源的区别以及能源的有限性。科学思维(1)知道与热现象有关的宏观过程的方向性。(2)能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程。科学态度与责任能依据道德规范评价物理技术的应用，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。一、可逆过程与不可逆过程1．可逆过程和不可逆过程(1)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，如果存在另一过程，它能使______和_____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，则________过程称为可逆过程。(2)不可逆过程：如果用任何方法都不能使______与_____完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。系统外界原来的系统外界2．热传导的方向性(1)热量可以自发地由____物体传给____物体，或者由物体的____部分传给____部分。(2)热量不能自发地由____物体传给____物体，或者由物体的____部分传给____部分。(3)热传递是________过程，具有_______。3．功和热相互转化的方向性(1)功转化为热这一热现象是________的，具有________。(2)热转化为功这一热现象也是________的，具有________。4．结论：凡是与________有关的宏观过程都具有_______。高温低温高温低温低温高温低温高温不可逆方向性不可逆方向性不可逆方向性热现象方向性二、热力学第二定律及第二类永动机1．克劳修斯表述：不可能使热量从__________传向________而不引起其他变化。(说明热传导的方向性)2．开尔文表述：不可能从_________吸取热量，使之完全用来______而不引起其他变化。(说明机械能与内能转化的方向性)3．第二类永动机不可能制成(1)第二类永动机是指人们设想的从单一热源吸取______并使之完全转化为功而不引起其他变化的机器。(2)热力学第二定律也可以表述为：第二类永动机是________实现的。低温物体高温物体单一热源做功热量不可能三、熵和熵增加原理1．有序和无序：一个系统的个体按确定的____________，有顺序地排列即有序；对个体的分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即无序。2．热力学第二定律的微观本质：与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度______的方向进行。3．熵：用来量度系统____________的物理量。4．熵增加原理：在孤立系统中的宏观过程必然朝着________的方向进行。5．熵与能量退降：在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量从_______状态转化为____________状态，即能量的品质退化了。某种规则增大无序程度熵增加可利用不可利用1.

若室内的温度恒定，一杯热水静置一段时间后就会变成一杯常温的水，但一杯常温的水不会自行变成一杯热水。下落的石头因为与空气摩擦而变热，一部分机械能转化成了内能，但石头不能把内能自动转化为机械能，使自己重新飞上天去。请对以下说法作出判断：(1)热量可以自发地由高温物体传递到低温物体。

()(2)热量不可能由低温物体传递到高温物体。

()(3)能量传递自发进行是有方向性的。

()√×√2.

“水往上流”是某地区的一个景点，潺潺水流顺着水沟由低处蜿蜒往高处流去，令人啧啧称奇。这是为什么？水真的可以自发地向高处流去吗？违背了什么定律？提示：不可以，违背了热力学第二定律。“水往上流”其实是因为这里两旁的景物倾斜度大于路面，故而造成水往上流的错觉。3．成语“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。提示：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。因为自发的宏观过程总是从有序向无序发展，所以水不会自发地聚到盆中。新知学习(一)|对热力学第二定律的理解及应用[任务驱动]如图是热量在传递过程中的情景。讨论：(1)在自然过程中热量是如何传递的？提示：热量由温度高的物体传递给温度低的物体，或由温度高的地方传递到温度低的地方。(2)空调和冰箱是如何传递热量的？提示：空调和冰箱可以通过电机做功，把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。

[重点释解]1．对热力学第二定律的理解(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性。在传热过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。(3)“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。(4)“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，过程中所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除。2．热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。4．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方向性。(2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的。[典例体验][典例]

(多选)下列现象不可能发生的是

(

)A．在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，能使该房间降温B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能C．一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能D．在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体[解析]

在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，消耗了电能，产生了焦耳热，所以房间温度不仅不能降低还会升高，故A不可能发生；蒸汽机不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，转化过程中必然存在能量耗散，故B不可能发生；一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能，C可能发生；在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，D可能发生。[答案]

AB/易错警示/对热力学第二定律理解的两个误区(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体，不能由低温物体传到高温物体。热量可以由高温物体传到低温物体，也可以由低温物体传到高温物体；但是，前者可以自发完成，而后者则必须有外界参与。(2)误认为机械能可以完全转化为内能，而内能不能完全转化为机械能。机械能可以完全转化为内能，内能也可以完全转化为机械能；但是，前者可以不产生其他影响，而后者一定会产生其他影响。[针对训练]1．下列哪一个过程具有方向性

(

)①热传导过程②机械能向内能的转化过程③气体的扩散过程④气体向真空中的膨胀过程A．①②

B．②③C．①②③ D．①②③④解析：这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，根据热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性，故D正确，A、B、C错误。答案：D

2.

(多选)用两种不同材料的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。关于这一现象的正确说法是

(

)A．这一实验不违背热力学第二定律B．在实验过程中，热水温度降低，冷水温度升高C．在实验过程中，热水的内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能D．在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能解析：自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学第二定律，本实验现象也不违反热力学第二定律，A正确；整个过程中能量守恒且传热有方向性，B正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高了金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高了金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误。答案：AB

新知学习(二)|热机和第二类永动机[任务驱动]

如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，请在图片基础上思考以下问题：(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？提示：不是。热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。(2)热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？提示：否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的释放到低温热库。

[重点释解]1．热机的特点(1)热机不仅仅只有一个热库。(2)热机的效率不可能达到100%。2．第二类永动机不能制成的原因：违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。3．第二类永动机不能制成的意义(1)机械能可全部转化成内能，但内能不能全部转化成机械能。(2)机械能和内能的转化过程具有方向性。(3)两类永动机的比较第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去)。第二类永动机：将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)。[典例体验][典例]电能被广泛应用在动力、照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、人民经济飞跃的主要动力。如图所示为火电站电能产生与使用过程中各阶段的能量转化效率，已知1kg标准煤完全燃烧时产生的热量约为2.93×107J。则

(

)A．发电站的发电效率约为40%B．提高输送电压可以提高发电站的发电效率C．1kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为9.4×106JD．用户端消耗1kW·h的电能，发电站需要烧0.5kg的标准煤[针对训练]1．(多选)关于热机的效率，下列说法正确的是

(

)A．有可能达到80%

B．有可能达到100%C．有可能超过80% D．一定能达到100%解析：根据热力学第二定律，热机效率永远也达不到100%。答案：AC

2．在热学中，下列说法正确的是

(

)A．第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律B．第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律C．热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能D．热量只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体传向高温物体解析：不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，故A正确；从单一热库吸收热量而对外做功的第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故B错误；热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能，而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能，故C错误；热量能从高温物体传向低温物体，在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体，故D错误。答案：A

新知学习(三)|熵与熵增加原理[重点释解]1．宏观态与微观态系统的宏观状态即为宏观态，系统内个体的不同分布状态即为微观态。2．有序与无序一个系统的个体按确定的规则，有顺序地排列即为有序；个体分布没有确定的要求，“怎么分布都可以”，即为无序。3．熵和熵增加原理(1)熵的定义：表达一个系统的无序程度的物理量。(2)熵增加原理：在自发过程中，一个孤立系统的熵值总是不减少的。4．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，就称这个系统的熵越大。(2)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。也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。从熵的意义上来说，系统自发变化时，总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减小。(3)任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。[典例体验][典例]

(多选)下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是

(

)A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小[解析]

从热力学第二定律的微观本质看，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行，我们知道热力学第二定律是一个统计规律，故A正确，B、C错误；任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是朝着熵增加的方向进行，故D正确。[答案]

AD/方法技巧/有序及无序过程的判断(1)解此类题目要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布是无序的。(2)无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的。[针对训练]1．(多选)关于有序和无序、宏观态和微观态，下列说法正确的是

(

)A．有序和无序是绝对的B．一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”C．一个“宏观态”只能对应着唯一的“微观态”D．无序意味着各处一样、平均、没有差别解析：无序是各处都一样、平均、没有差别，故D项正确；有序和无序是相对的，故A项错误；一个“宏观态”可能对应一个或多个“微观态”，故B项正确，C项错误。答案：BD

2．下列关于熵的说法中错误的是

(

)A．熵是系统内分子运动无序性的量度B．在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的C．热力学第二定律也叫作熵减小原理D．熵值越大代表越无序解析：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义。系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程。自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理。因此A、B、D正确，C错误。答案：C

一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

物理观念——热力学第二定律实例分析1．(选自人教版新教材课后练习)以下哪些现象能够发生、哪些不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？(1)一杯热茶自然放置，茶会自动变得更热。(2)蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能。(3)桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离。(4)电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体。提示：(1)不能发生。因为热传递具有方向性。(2)不能发生。因为能量转化具有方向性。(3)能发生。不违背热力学第二定律。(4)能发生。该过程是通过压缩机做功实现热量从低温物体传到高温物体，不违背热力学第二定律。

科学思维——热机及其效率2．(选自沪科版新教材课后练习)设一台蒸汽机中，1kg煤完全燃烧后，产生2.9×107J的热量，其分配情况如下：锅炉损失5.9×106J，传送蒸汽损失1.2×106J，蒸汽冷凝损失4.0×106J，废气带走损失1.4×107J，机械磨损损失0.7×106J。试画出其能流图。这台蒸汽机输出的机械能是多少？热机的效率是多少？二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1.17世纪70年代，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，其结构如图所示，在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上、下端各有一个小孔P、Q，斜面下有一个连接两小孔的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，由于这时球具有速度所以可以对外做功，然后铁球又被磁铁吸引回到上端，到P处又漏下……对于这个设计，下列判断正确的是

(

)A．满足能量守恒定律，所以可行B．不满足热力学第二定律，所以不可行C．不满足机械能守恒定律，所以不可行D．不满足能量守恒定律，所以不可行解析：该装置可以持续不断的对外做功，违背了能量守恒定律，故不可行，D正确。答案：D

2.(多选)如图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是

(

)A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B．电冰箱消耗电能，其制冷系统能够不断地把冰箱内