第四節

熵—系統無序程度的度量

教學課件TeachingCourseware20XX.XX.XX第三章熱力學定律高中物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊1.了解熵的概念及熵增加原理,并能解釋生活中的有關現象2.會利用熱力學第二定律和熵增加原理分析實際問題。素養目標新課導入成語“覆水難收”指一盆水被潑出后不可能再回到盆中,請結合熵的變化解釋為什么水不會自發地聚到盆中。覆水難收君不見黃河之水天上來奔流到海不復回新課講解Newlessonexplanation新課講解一、有序與無序與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性。如何從微觀的角度來理解與熱現象有關的宏觀過程的方向性？熱現象是大量分子無規則運動的結果。通常，人們將生活中符合某種規則的現象稱為有序，反之稱為無序。規則越少，一個宏觀狀態對應的微觀狀態就越多，出現的概率也越大，我們稱之為越無序。越有序規則越多，一個宏觀狀態對應的微觀狀態越少，出現的概率越小，我們稱之為越有序。越無序新課講解

學校大會上，學生按班級、學號就座是有序的，學生隨意就座是無序的。有序與無序是相對的。按班級就座相對于全校隨意就座來說是有序的，但相對于既按班級又按學號順序入座來說是無序的。舉個例子新課講解在熱傳遞過程中，兩個溫度不同的物體放在一起，熱量會自動地由高溫物體傳到低溫物體，直到二者溫度相同為止。從微觀角度看，高溫與低溫的區別，在于分子的平均動能不同。兩物體接觸后，內能從高溫物體向低溫物體傳遞，導致高溫物體中的分子運動減慢、低溫物體中的分子運動加快，直到兩個物體達到相同的溫度為止。此時，整個系統末態比初態更加無序。換句話說，熱傳遞這個不可逆過程使無序程度增加了。新課講解

整潔有序的書本，如果不注意整理，就會變得雜亂無序。如何才能使它回到有序狀態？試想，如果分子的運動可自發地從無序變為有序，會有什么現象發生？這些現象會自然發生嗎？為什么？請與同學討論交流。新課講解功轉變為熱是機械能轉化為內能的過程。機械運動遵從牛頓運動定律，有明確的因果關系，是有序的運動；而在熱運動中，分子雜亂無章地向各個方向運動，包含著大量的微觀狀態，是無序的運動。機械能轉化為內能的過程即為從有序向無序變化的過程。在這個過程中，分子運動變得更加混亂，無序程度增加?？梢?，與熱現象有關的自然發生的宏觀過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行。這就是熱力學第二定律的微觀本質。新課講解二、熵和熵增加原理1.熵的定義：物理學中用熵來量度系統的無序程度，用符號S表示。2.熵是熱力學中與溫度、內能等同樣重要的一個狀態量，它只與熱力學變化過程的初態和末態有關，與中間過程無關。3.熱力學系統的每一個狀態，都對應有一個熵值。熵值越大，意味著系統越“混亂”和“分散”，無序程度越高。熵值越小，意味著系統越“整齊”和“集中”，也就越有序。新課講解與外界既沒有物質交換又沒有能量交換的系統稱為孤立系統。孤立系統所發生的變化一定是自然發生的。4.孤立系統根據熱力學第二定律的微觀解釋，自然過程總是沿著無序程度增大的方向進行，而熵是無序程度大小的量度。所以，在孤立系統中的宏觀過程必然朝著熵增的方向進行。這就是熵增加原理。5.熵增加原理新課講解熵增加原理與能量守恒定律在物理學中具有同等重要的地位，二者都是對自然過程的一種限制，即在任何自然過程中，一切參與者的總能量必定保持不變，而總熵則必定增加。思考新課講解三、熵與能量退降能量轉化的過程常常伴有內能的產生。研究表明，即使是在最理想的熱機中，內能也只是部分用來做功。只要有內能產生，熱機做功的本領就會降低。燃燒一塊煤，雖然它的能量沒有消失，但我們再也不能把這些能量全部收集起來，讓它再一次做同樣多的功了。實際上，在熵增加的同時，一切不可逆過程總是使得能量從可利用狀態轉化為不可利用狀態，能量品質退化了，這種現象稱為能量退降。熱力學第一定律告訴我們，自然界的能量在總量上是不變的；熱力學第二定律卻告訴我們，自然界的能量品質正在退化，可利用的能量越來越少。因此，人類必須節約能源，提高能源的利用效率，積極開發新能源。新課講解(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。對熵的理解及對熵增加原理的理解(3)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?；蛘哒f，一個孤立系統的熵永遠不會減小。這就是熵增加原理。(4)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。新課講解成語“覆水難收”指一盆水被潑出后不可能再回到盆中,請結合熵的變化解釋為什么水不會自發地聚到盆中。由于盆的形狀確定,水在盆中時,空間位置和所占據的空間的體積一定,顯得“有序”“整齊”和“集中”,系統的熵低。當把水潑出后,它的形狀不再受盆的限制,各種可能的形狀都有,占據的空間面積和所處的位置都有多種可能,顯得“混亂”“分散”,較為“無序”,系統的熵高。水潑出的過程屬于從有序向無序的轉化過程,導致熵的增加,符合熵增加原理。反之,水聚到盆中過程,屬于從無序向有序轉化,即從高熵向低熵轉化,不符合熵增加原理,因此水不能自發地聚到盆中。新課講解經典例題ClassicExample經典例題1.下列關于熵的說法錯誤的是A.熵是物體內分子運動無序程度的量度B.在孤立系統中,一個自發的過程熵總是向減少的方向進行C.熱力學第二定律的微觀實質是熵是增加的D.熵值越大,代表系統分子運動越無序√解析：熵是分子運動無序程度的量度，熵越大，分子運動無序程度越大，A、D正確；孤立系統中發生的任何實際過程，其能量的總值保持不變，而其熵值增加，B錯誤，C正確。經典例題2.(多選)對于孤立體系中自然發生的實際過程，下列說法中正確的是(

) A.系統的總熵只能增大，不可能減小 B.系統的總熵可能增大，可能不變，還可能減小 C.系統逐漸從比較有序的狀態向更無序的狀態發展 D.系統逐漸從比較無序的狀態向更有序的狀態發展解析：在孤立體系中發生的實際過程，其系統的總熵是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯誤；根據熵增加原理，系統總是自發地從比較有序的狀態向更無序的狀態發展，故C正確，D錯誤?！陶n堂練習ClassroomPractice課堂練習1.熱現象過程中不可避免地出現能量耗散的現象。所謂能量耗散是指在能量轉化的過程中無法把散失的能量重新收集、加以利用。下列關于能量耗散的說法中正確的是(

)A.能量耗散說明能量不守恒B.能量耗散不符合熱力學第二定律C.能量耗散過程中能量不守恒D.能量耗散是從能量轉化的角度，反映出自然界中的宏觀過程具有方向性課堂練習1.答案：D解析：能量耗散是指能量在轉化的過程中擴散到周圍環境中無法再收集起來加以利用，其滿足能量守恒定律，也符合熱力學第二定律。能量在數量上并未減少，但在可利用的品質上降低了。能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性，所以A、B、C錯誤，D正確。課堂練習2.關于永動機，下列說法正確的是(

)A.隨著科技的不斷發展，永動機是可以制成的B.第一類永動機違反了熱力學第二定律C.第二類永動機違反了熱力學第二定律D.永動機指的是在摩擦力趨于零的條件下一直運動的機器，它不需要對外做功課堂練習2.答案：C解析：第一類永動機指不需要外界輸入能量，能夠不斷向外輸出能量的機器，它違反了能量守恒定律，是不可能制成的，B錯誤；第二類永動機指從單一熱源吸收熱量全部用來對外做功，不產生其他影響的機器，它違反了熱力學第二定律，也是不可能制成的，C正確；無論是哪種永動機，要么違反能量守恒定律，要么違反熱力學第二定律，因此都是不可能制成的，A錯誤；無論哪種永動機都需要對外做功，D錯誤.課堂練習3.對于孤立系統中發生的實際過程，下列說法正確的是(

)A.系統的總熵只能增加，不可能減少B.系統的總熵可能增加，可能不變，還可能減少C.系統逐漸從比較有序向更無序的狀態發展D.系統逐漸從比較無序向更有序的狀態發展AC課堂小結ClassSummary課堂