2024-2025学年高中物理第十章热力学定律4-5热力学第二定律热力学第二定律的微观解释学案新人教版选修3-3

PAGE8-第四节热力学其次定律第五节热力学其次定律的微观说明【素养目标定位】※了解热力学其次定律的多种表述※知道热传导及宏观过程的方向性※了解热力学其次学定律的微观说明※知道熵及熵增加原理【素养思维脉络】课前预习反馈学问点1热力学其次定律的一种表述1．可逆与不行逆过程(热传导的方向性)热传导的过程可以自发地由__高温__物体向__低温__物体进行，但相反方向却不能__自发地__进行，即热传导具有__方向__性，是一个不行逆过程。2．热力学其次定律的一种表述(克劳修斯表述)热量不能自发地从__低温__物体传递到__高温__物体。学问点2热力学其次定律的另一种表述1．开尔文表述不行能从__单一热库__汲取热量，使之完全变成__功__，而不产生其他影响。2．热力学其次定律的其他描述(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__不行逆__的。学问点3有序和无序宏观态和微观态1．有序只要确定了某种规则，__符合__这个规则的就叫作有序。2．无序不符合某种__确定规则__的称为无序。3．宏观态__符合__某种规定、规则的状态，叫作热力学系统的宏观态。4．微观态在宏观状态下，符合__另外__的规定、规则的状态叫作这个宏观态的微观态。学问点4气体向真空的扩散热力学其次定律的微观意义：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。学问点5熵及熵增加原理1．熵(1)微观状态的数目用Ω表示，用S表示熵，则S＝__klnΩ__，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__状态__确定。从分子动理论的观点来看，熵是分子热运动__无序(混乱)__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__不会减小__，叫作熵增加原理。对于其他状况，系统的熵可能增加，也可能减小。辨析思索『判一判』(1)机械能可以完全转化为内能。(√)(2)内能不行能完全转化为机械能。(×)(3)能够制成的热机既不违反能量守恒定律，也不违反热力学其次定律。(√)(4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是肯定的。(×)(5)一个宏观态所对应的微观态数目越多，则熵越大。(√)(6)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。(√)『选一选』下列说法正确的是(D)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，热不能完全变胜利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行逆的解析：在肯定条件下热量可以从低温物体传到高温物体，A错；在肯定条件下热可以全部变胜利，B错；热机的效率在任何条件下都不行能达到100%，C错；一切宏观自然过程的进行都具有方向性，D正确。『想一想』成语“覆水难收”指的是一盆水泼出去后是不行能再倒回盆中的。请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度，说明为什么水不会自发地聚到盆中。答案：由于盆的形态确定，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，它的形态不受盆的限制，各种可能的形态都有，此时所处的宏观态对应的微观态数目将变得特别多，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。课内互动探究探究热力学其次定律的理解┃┃思索探讨1__■一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1kW，制冷实力1.2×104kJ/h，制热实力1.3×104kJ/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？提示：都不是。空调制冷(制热)靠压缩机做功，从室内(室外)汲取热量放到室外(室内)。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外汲取的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违反热力学第肯定律，也不违反热力学其次定律。┃┃归纳总结__■1．单一热库指温度匀称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，有些国家已在探讨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汲取的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体汲取热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变更。不是不能从单一热库汲取热量而对外做功，而是这样做的结果，肯定伴随着其他变更或影响。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行能的。3．关于“不行能”事实上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库汲取热量对外做功，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，不论用任何曲折困难的方法都不行能加以消退。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。┃┃典例剖析__■典例1依据热力学定律，下列推断正确的是(B)A．我们可以把火炉散失到四周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，而不引起其他变更D．满意能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行解题指导：利用热力学其次定律解决问题时：(1)明确热力学其次定律的两种表述是等效的。其实质是自然界中进行的全部涉及热现象的宏观物理过程都具有方向性。(2)特殊留意“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；由热力学其次定律可知，B正确；热量从低温物体传给高温物体时肯定会发生其他变更，C错；只满意能量守恒定律而不满意热力学其次定律的过程是不行能发生的，D错。┃┃对点训练__■1．如图中气缸内盛有定量的志向气体，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。若已知志向气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(C)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其次定律B．气体从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学其次定律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其次定律D．ABC三种说法都不对解析：热力学其次定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是：不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功，而不引起其他变更。本题中假如没有外界的帮助，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，是不行能从外界汲取热量的，即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全用来对外做功，但引起了其他变更，所以此过程不违反热力学其次定律。探究对热力学其次定律微观意义的理解┃┃思索探讨2__■如图将一滴红墨水滴入一杯清水中，红墨水会渐渐扩散到整杯水中，呈匀称分布，试说明这个过程中熵的变更。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。┃┃归纳总结__■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．热力学其次定律的微观说明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撞过程中，低温物体分子运动的猛烈程度会渐渐加剧，即低温物体的温度上升了。而高温物体分子运动的猛烈程度会减缓，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，初始我们依据温度的凹凸来区分两个物体，而终了状态两个物体上的温度到处相同，无法区分，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。┃┃典例剖析__■典例2(多选)关于热力学其次定律的微观意义，下列说法正确的是(CD)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。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，依据熵增加原理，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、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：依据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学其次定律又有一种表述：由大量分子组成的系统自发变更时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会削减。这也就是说，任何一个系统自发变更时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会削减。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。核心素养提升1．热力学其次定律与第肯定律的比较规律区分联系热力学第肯定律热力学其次定律区分热力学第肯定律是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创建能量和歼灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机热力学其次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、化学过程具有不行逆性的阅历总结，从而否定了其次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其次类永动机设计要求不消耗任何能量，可以不断地对外做功(或只赐予很小的能量启动后，可以恒久运动下去)将内能全部转化为机械能，而不引起其他变更(或只有一个热库，实现内能与机械能的转化)不行能的缘由违反了能量守恒定律违反了热力学其次定律案例关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是(D)A．第一类永动机不行能制成是因为违反了热力学其次定律B．其次类永动机不行能制成是因为违反了热力学第肯定律C．由热力学第肯定律可知做功不肯定变更内能，传热也不肯定变更内能，但同时做功和传热肯定会变更内能D．由热力学其次定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库汲取热量，完全变胜利也是可能的解析：第一类永动机违反能量守恒定律，选项A错误；其次类永动机违反热力学其次定律，选项B错误；由热力学第肯定律可知当W≠0，Q≠0时，ΔU＝W＋Q可以等于0，选项C错误；由热力学其次定律可知选项D中现象是可能的，但肯定会产生其他影响，选项D正确。课堂巩固达标1．(多选)(2024·山东青州一中高二下学期月考)下列说法正确的是(AC)A．1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的内能小些B．其次类永动机不行能制成，说明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C．热力学第肯定律也可表述为“第一类永动机不行能制成”D．热力学其次定律可描述为“不行能使热量由低温物体传递到高温物体”解析：1kg的0℃的冰熔化成0℃的水要汲取热量，则1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的内能小些，选项A正确；其次类永动机不行能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变更，故B错误；热力学第肯定律也可表述为“第一类永动机不行能制成”，选项C正确；热力学其次定律可描述为“不行能使热量自发地由低温物体传递到高温物体”，故D错误。2．(2024·山东省济南市章丘区校级模拟)关于热力学定律，下列说法中正确的是(A)A．可以从单一热源汲取热量，使之完全变为功B．志向气体的等压膨胀过程肯定放热C．热量不行能从低温物体传递到高温物体D．压缩气体做功，该气体的内能肯定增加解析：依据热力学其次定律可知，可以从单一热源汲取热量，使之完全变为功，但是会引起其他的变更，故A正确；当志向气体做等压膨胀过程时，依据eq\f(pV,T)＝C，可得温度要增加，故内能ΔU增加；又因为气体膨胀对外做功所以W<0，再依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q可得：Q>0，气体肯定汲取热量，故B错误；依据热力学其次定律可知，热量不行能自发地从低温物体传递到高温物体，若有外界做功的话，可以从低温物体传递到高温物体，故C错误；压缩气体，外界对气体做功，依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q得知，若气体同时放热，气体的内能不肯定增加，故D错误。3．(2024·北京市朝阳区模拟)下列说法中正确的是(B)A．图甲中，两个分子从很远处渐渐靠近，直到不能再靠近为止的过程中，分子间相互作用的合力先变小后变大B．图乙中，在测量分子直径时，可