高中物理 選修3 3 魯科版 第3節熱力學第二定律第4節熵 無序程度的量度 目標定位 1 了解自然過程的方向性 2 知道熱力學第二定律的表述并能用于解釋第二類永動機不可能制成的原因 3 了解熵的概念及熵加原理 并能解釋生活中的有關現象 一 自然過程的方向性1 可逆過程和不可逆過程 1 可逆過程 系統回到原來的狀態 同時消除原來過程對外界的 則稱為可逆過程 2 不可逆過程 如果用任何方法都不能使和完全復原 則原來過程稱為 一切影響 原來的過程 系統 外界 不可逆過程 2 熱傳導的方向性 1 熱量可以自發地由物體傳給物體 2 熱量不能自發地由物體傳給物體 而不引起其他變化 3 熱傳遞是過程 具有 3 功和熱相互轉變的方向性 1 功轉變為熱這一熱現象是不可逆的 具有 2 熱轉變為功這一熱現象也是不可逆的 具有 4 結論 凡是與熱現象有關的宏觀過程都具有 高溫 低溫 低溫 高溫 不可逆 方向性 方向性 方向性 方向性 二 熱力學第二定律的表述1 第一種表述 克勞修斯表述 不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而其他變化 說明熱傳導的方向性 2 第二種表述 開爾文表述 不可能從單一熱源吸收熱量 使之完全變為有用功而變化 說明機械能與內能轉化的方向性 不引起 不引起其他 3 第二類永動機不可能制成 1 第二類永動機是指人們設想的從單一熱源吸取熱量并使之而不產生其他影響的機器 2 熱力學第二定律也可以表述為 永動機是不可能制成的 完全轉化為功 第二類 三 熵和熵增加原理1 定義 用來量度系統的物理量叫做熵 2 熵增加原理 在孤立系統中 一切不可逆過程必然朝著的方向進行 孤立系統是指與外界既沒有物質交換也沒有交換的系統 無序程度 熵增加 能量 一 對熱力學第二定律的理解1 兩種表述的實質 1 克勞修斯表述指明熱傳遞等熱學宏觀現象的方向性 不需要借助外界提供能量的幫助 其物理實質是揭示了熱傳遞過程是不可逆的 2 開爾文表述中的 單一熱源 指溫度恒定且均勻的熱源 不引起其他變化 是指唯一效果是熱量全部轉變為功而外界及系統都不發生任何變化 其物理實質揭示了熱變功過程是不可逆的 2 熱力學第二定律的普遍性 熱力學第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性 進而使人們認識到自然界中一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性 都是不可逆的 例1 根據熱力學第二定律可知 下列說法中正確的是 a 不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功 而不引起其他變化b 沒有冷凝器 只有單一的熱源 能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功 而不引起其他變化的熱機是可以實現的c 制冷系統將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中 而不引起其他變化d 不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體 而不引起其他變化答案ad 解析熱力學第二定律揭示了與熱現象有關的物理過程的方向性 機械能和內能的轉化過程具有方向性 機械能可以全部轉化為內能 而內能要轉化為機械能必須借助外部的幫助 即會引起其他變化 a選項正確 b選項錯誤 熱傳遞過程也具有方向性 熱量能自發地從高溫物體傳給低溫物體 但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體 必然要引起其他變化 外界對系統做功 故c選項錯誤 d選項正確 借題發揮 1 一切物理過程均遵守能量轉化與守恒定律 但遵守能量守恒的物理過程不一定均能實現 2 熱力學第二定律的關鍵在于 自發性 和 方向性 針對訓練關于空調機 下列說法正確的是 a 制冷空調機工作時 熱量從低溫物體傳到高溫物體b 制暖空調機工作時 熱量從高溫物體傳到低溫物體c 冷暖空調機工作時 熱量既可以從低溫物體傳到高溫物體 也可以從高溫物體傳到低溫物體d 冷暖空調機工作時 熱量只能從低溫物體傳到高溫物體答案abc解析空調機工作時 熱量可以從低溫物體傳到高溫物體 因為這里有外界做功 二 兩個熱力學定律及兩類永動機的比較1 兩個定律比較 熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的具體表現形式 在轉化的過程中 總的能量不變 熱力學第二定律是指在有限的時間和空間內 一切和熱現象有關的物理過程 化學過程具有不可逆性 2 兩類永動機的比較 第一類永動機 不消耗任何能量 可以不斷做功 或只給予很小的能量啟動后 可以永遠運動下去 它違背了能量守恒定律 第二類永動機 將內能全部轉化為機械能 而不引起其他變化 或只有一個熱源 實現內能與機械能的轉化 它違背了熱力學第二定律 例2 下列說法正確的是 a 物體吸收熱量 其溫度一定升高b 熱量只能從高溫物體向低溫物體傳遞c 遵守熱力學第一定律的過程一定能實現d 做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種方式答案d解析物體吸熱 溫度不一定升高 a錯 熱量只能自發地從高溫物體向低溫物體傳遞 b錯 遵守熱力學第一定律的過程不一定能實現 c錯 應選d 借題發揮熱力學第一定律和熱力學第二定律的應用技巧 1 應用熱力學第一定律 一定要考慮改變物體內能的兩種方式 只有做功和熱傳遞兩方面都確定 才能確定物體內能的變化 2 熱力學第二定律的理解 關鍵是對熱現象宏觀過程的方向性的理解 要抓住 自發 和 不引起其他變化 等所表述的物理意義 例3 第二類永動機不可能制成的原因是 a 違背了能量守恒定律b 熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體c 機械能不能全部轉化為內能d 內能不能全部轉化為機械能而不引起其他變化答案d解析第二類永動機的設想并不違背能量守恒定律 但是違背了熱力學第二定律 所以不可能制成 借題發揮凡是與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性 機械能可全部轉化成內能 而內能不能全部轉化成機械能 而不引起其他變化 三 對熵和熵增加原理的理解1 對熵的理解 1 熵是反映系統無序程度的物理量 系統越混亂 無序程度越大 這個系統的熵就越大 2 在任何自然過程中 一個孤立系統的總熵不會減小 如果過程可逆 則熵不變 如果過程不可逆 則熵增加 2 對熵增加原理的理解 1 對于孤立的熱力學系統而言 所發生的是由非平衡態向著平衡態的變化過程 因此 總是朝著熵增加的方向進行 或者說 一個孤立系統的熵永遠不會減小 這就是熵增加原理 2 從微觀的角度看 熱力學第二定律是一個統計規律 一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展 熵值越大代表著越無序 所以自發的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發展 例4 下列關于熵的觀點中正確的是 a 熵越大 系統的無序度越大b 對于一個不可逆絕熱過程 其熵總不會減小c 氣體向真空擴散時 熵值減小d 自然過程中熵總是增加的 是因為通向無序的渠道要比通向有序的渠道多得多答案abd 解析熵是系統內分子運動無序性的量度 熵越大 其無序度越大 選項a正確 一個不可逆絕熱過程 其宏觀狀態對應微觀態數目增大 其熵會增加 不會減小 選項b正確 氣體向真空中擴散 無序度增大 熵值增大 選項c錯誤 自然過程中 無序程度較大的宏觀態