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点击物理观念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。1．填一填(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2．判一判(1)温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。

(

)(2)一切与热现象有关的微观自然过程都是不可逆的。

(

)(3)在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体。

(

)3．想一想两个不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么？提示：“自发地”的含义是没有任何外界影响或者其他帮助。√×√1．填一填(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产生其他变化的机器。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2．判一判(1)热量不能自发地从低温物体传向高温物体。

(

)(2)第二类永动机违反了能量守恒定律。

(

)(3)只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能。(

)√××3．想一想我们假想：发明一种热机，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，而不引起其他变化。这是否可能？提示：热机不能把它得到的内能全部转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q，即使是理想热机，没有摩擦，没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中。1．填一填(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2．判一判(1)对任何一件事物，如果规定得越多，限制越多，它的无序性就越大。

(

)(2)熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序。

(

)(3)能量退降使能量的总量减少，违背了能量守恒定律。

(

)×××3．想一想成语“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。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。

[重难释解]1．对热力学第二定律的理解(1)“不引起其他变化”——外界不需要做功，或者热量全部转变为功，而外界及系统都不发生任何变化。(2)“单一热源”——指温度恒定而均匀的热源。若一热源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。(3)“不可能”——实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热源吸收热量对外做功，以及热量从低温热源传到高温热源以外，过程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。3．热力学过程方向性实例4．热力学第二定律的其他表述(1)一切涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性。(2)第二类永动机是不可能实现的。[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。[素养训练]1．(多选)下列说法正确的是

(

)A．一切涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的C．由热力学第二定律可以判断涉及热现象的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：由热力学第二定律知，一切涉及热现象的宏观自然过程都是具有方向性的，A正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错误；在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C正确，D错误。答案：AC

2．关于永动机和热力学定律，下列叙述正确的是

(

)A．第二类永动机违背能量守恒定律B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加C．外界对物体做功，则物体的内能一定增加D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看，这两种改变方式是有区别的解析：第二类永动机违背了热力学第二定律，并不违背能量守恒定律，故A错误；据热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，内能的变化由做功和热传递两个方面共同决定，只知道做功情况或只知道传热情况无法确定内能的变化情况，故B、C错误；做功和热传递都可改变物体内能，但做功是不同形式能的转化，而热传递是同种形式能的转移，这两种方式是有区别的，故D正确。答案：D

3．(多选)根据热力学第二定律，可知下列说法正确的是

(

)A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体C．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能解析：由热力学第二定律克劳修斯表述知，热量可以自发地从高温物体传给低温物体，当外界对系统做功时，也可以使热量从低温物体传到高温物体，冰箱就是这样的装置，故A错误，B正确；机械能可以全部转化为内能，如在水平地面上运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终静止，这个过程中机械能全部转化为内能，当外界条件发生变化时，内能也可以全部转化为机械能，如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功，故C错误，D正确。答案：BD

交通与工业废气及噪声对环境的污染；工业和生活垃圾、废水对环境的污染；交通拥挤和堵塞造成的道路混乱。以上现象中的熵是怎么变化的？提示：熵增加。

[重难释解]1．熵和熵增加原理(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。2．热力学第二定律的微观意义(1)热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地在相反的方向上出现。它指出在能量得以平衡的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发生。(2)自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的，宏观自发过程的这种方向性(熵增加的方向)，也就成为时间的方向性。所以，“熵”又常常被称为“时间箭头”。[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、C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行，故B错误；能量退降是指能量的可利用率越来越低，但能量仍然是守恒的，故D错误。[答案]

AC熵的几点注意事项(1)熵是表示一个体系自由度的物理量。熵越大，表示在这个体系下的自由度越大，可能达到的状态越多。(2)熵不是守恒的量，在孤立体系中经过一个不可逆过程，熵总是增加的。

(3)熵改变的过程中，能量必然是守恒的。(4)一个孤立系统的自然可逆过程中，总熵不变。[素养训练]1．(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．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

2．(多选)下列说法中不正确的是

(

)A．在任何自然过程中，一切参与者的总能量和总熵保持不变B．熵无处不在，是系统有序程度的量度C．一切不可逆过程在熵增加的同时，总是伴随着能量退降D．由热力学第二定律可知，自然界的能量品质正在退化，可利用的能量越来越少解析：在任何自然过程中由能量守恒可知，一切参与者的总能量保持不变，由熵增加原理知熵增加，故A错误；热力学系统的每一个过程，都有一个熵值，它是用来量度系统无序程度的物理量，故B错误；熵增加的同时，一切不可逆过程总是使能量逐渐丧失做功的本领，从可用状态转化为不可用状态，使可利用的能量越来越少，故C、D正确。答案：AB

一、培养创新意识和创新思维(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。二、注重学以致用和思维建模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地对外做功，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