(共31张PPT)
第3章
第4节 熵——系统无序程度的量度
课标要求
1.知道有序和无序的概念。(物理观念)
2.了解热力学第二定律的微观意义,了解熵的概念及用熵的概念表示的热力学第二定律。(物理观念)
3.认识能源和环境与人类生存的关系,知道可持续发展的重大意义,增强保护环境的意识。(科学态度与责任)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目录索引
学以致用·随堂检测全达标
基础落实·必备知识全过关
一、有序与无序
1.有序:人们将生活中 某种规则的现象称为有序。
2.无序:人们将生活中 某种规则的现象称为无序。
3.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。
符合
不符合
增大
二、熵和熵增加原理
1.熵:物理学中用熵来量度系统的无序程度。
2.熵增加原理:在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵 的方向进行。
三、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可利用状态转化为不可利用状态,能量品质退化了,这种现象称为能量退降。
增加
易错辨析 判一判
(1)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。( )
(2)一个宏观态所对应的微观态数目越多,则熵越大。( )
(3)熵值越大代表着越有序。( )
(4)孤立系统的总熵可能增大,也可能减小。( )
(5)大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源。( )
提示 一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是相对的。
提示 熵值越大代表着越无序。
提示 孤立系统的总熵总是在增大。
×
√
×
×
√
即学即用 练一练
1.下列关于熵的有关说法错误的是( )
A.熵是系统内分子运动无序性的量度
B.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小
C.热力学第二定律也叫作熵减小原理
D.熵值越大,代表系统内分子运动越无序
C
解析 熵是物体内分子运动无序程度的量度,在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增加的方向进行,熵值越大,代表系统内分子运动越无序。
2.下列有关自然过程的方向性说法正确的是( )
A.热量可以自发地从低温物体传到高温物体
B.两种不同的气体可以自发地进入对方成为混合气体
C.两种混合气体可以自发地分开成为两种不同的气体
D.一个孤立的热力学系统总是自发地从无序状态向有序状态发展
B
解析 热量不能自发地从低温物体传到高温物体,A错误。两种不同的气体可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合气体,但这种均匀的混合气体,不会自发地分开,成为两种不同的气体,B正确,C错误。一个孤立的热力学系统总是自发地从有序状态向混乱的无序状态发展,D错误。
重难探究·能力素养全提升
探究一 有序和无序
情境探究
有序与无序和“规则”有什么关系
要点提示 规则越多,一个宏观状态对应的微观状态越少,出现的概率越小,称之为越有序;反之,规则越少,一个宏观状态对应的微观状态就越多,称之为越无序。
知识归纳
1.热力学第二定律的微观解释
(1)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动能要大于低温物体。
(2)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剧烈程度会逐渐增加,即低温物体的温度升高了,而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓,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,总是自发地从高温物体传给低温物体。
(3)换一种角度看,初始状态我们根据温度的高低来区分两个物体,而末状态两个物体上的温度处处相同,无法区别,我们就说系统的无序程度增加了。
(4)在通过做功使系统内能增加的过程中,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。
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”。
应用体验
典例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.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.一切与热现象有关的自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
CD
解析 分子热运动是大量分子的无规则运动,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,根据熵增加原理,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自发地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,故选项C、D正确。
针对训练1
(多选)倒一杯热水,然后加入适量的糖后,糖会全部溶于水中,但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶,关于这个过程,下列叙述正确的是( )
A.溶解过程是自发的,结晶过程也是自发的,因此热力学第二定律是错误的
B.溶解过程是有序向无序转变的过程
C.结晶过程是有序向无序转变的过程
D.结晶过程不是自发的,因为有外界的影响
BD
解析 溶解过程是自发的,是由有序向无序转变的过程;结晶过程不是自发的,通常是由于水温降低或水的蒸发引起,是由无序向有序的转变过程,故选项B、D正确,A、C错误。
探究二 熵和熵增加原理
情境探究
如图是两幅宣传节约能源的图片。请思考:
既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源
要点提示 能量是守恒的,但能量耗散却会导致能量品质降低,它实际上将能量从可用的形式逐渐降级为不可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量,在利用它们的时候,高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。故能量虽然不会减少但可利用的高品质能源会越来越少,所以要节约能源。
知识归纳
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。
画龙点睛 熵增加就是无序程度变大。
应用体验
典例2 下列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总减小
A
解析 从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律,A正确;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,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,也就是熵增加的方向进行,故D错误。
针对训练2
(多选)从微观角度看,下列说法正确的是( )
A.气体向真空的自由膨胀是可逆的
B.一个非孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展
C.一个宏观状态所对应的微观状态越多,越是无序,熵值越大
D.出现概率越大的宏观状态,熵值越大
CD
解析 一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。熵是用来描述系统大量分子运动无序程度的物理量。在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,也就是说,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立系统的自然过程必然朝着分子热运动的无序性增大的方向进行。对于一个非孤立的系统,在与外界有能量交换时,其熵也有可能变小,故A、B错误,C、D正确。
学以致用·随堂检测全达标
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5
1.(多选)关于孤立体系中发生的实际过程,下列说法正确的是( )
A.系统的总熵只能增大,不可能减小
B.系统的总熵可能增大,可能不变,还可能减小
C.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展
D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
AC
解析 在孤立体系中发生的实际过程,其系统的总熵总是增加的,它不可能减小,故A正确,B错误;根据熵增加原理,该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展,故C正确,D错误。
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2.下列关于熵的说法错误的是( )
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中,一个自发的过程总是向熵减小的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质是熵的增加,因此热力学第二定律又叫熵增加原理
D.熵值越大,代表系统内分子运动越无序
B
解析 熵是分子运动无序程度的量度,熵越大,分子运动无序程度越大,故A、D正确;在孤立系统中,一个自发的过程总是向熵增加的方向进行,故B错误;热力学第二定律的微观实质是与热现象有关的自发宏观过程朝熵增加的方向进行,热力学第二定律又称为熵增加原理,故C正确。
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3.关于能源的开发和节约,下列观点错误的是( )
A.常规能源是有限的,无节制地利用常规能源,如石油之类,是一种短视行为
B.根据能量守恒定律,担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现
C.能源的开发和利用,必须要同时考虑其对环境的影响
D.通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径
B
解析 能量虽然守恒,但能量退降导致能量的品质降低及不可再利用,也往往对环境产生破坏,从而应开发新型的清洁型的能源,故选项B错误。
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4.用隔板将一绝热容器隔成A和B两部分,A中盛有一定质量的理想气体,B为真空(如图甲所示),现把隔板抽去,A中的气体自动充满整个容器(如图乙所示),这个过程称为气体的自由膨胀,下列说法正确的是( )
A.自由膨胀过程中,气体分子只做定向运动
B.自由膨胀前后,气体的压强不变
C.自由膨胀前后,气体的温度不变
D.容器中的气体在足够长的时间内,能全部自动回到A部分
C
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解析 由分子动理论知,气体分子的热运动是永不停息地做无规则运动,故选项A错误;由能量守恒定律知,气体膨胀前后内能不变,又因一定质量理想气体的内能只与温度有关,所以气体的温度不变,故选项C正确;由 =常量,可知气体压强变小,故选项B错误;由热力学第二定律知,真空中气体膨胀具有方向性,在无外界影响的情况下,容器中的气体不能自发地全部回到容器的A部分,故选项D错误。
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5.已知一个系统的两个宏观状态甲、乙,及对应微观状态的个数分别为较少、较多,则其宏观状态分别为甲比较 ,乙比较 ,甲、乙之间的过程可能自发进行的方向是 。
有序
无序
甲→乙
解析 一个宏观态对应微观态的多少标志了宏观态的无序程度,从中还可以推知系统自发的方向,微观态数目越多,表示越无序,一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行。(共8张PPT)
第3章
第4节 熵——系统无序程度的量度
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A 级 必备知识基础练
1.下面关于熵的说法错误的是( )
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中,一个自发的过程总是向熵减少的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质为熵是增加的
D.熵值越大,代表系统分子运动越无序
B
解析 熵是物体内分子运动无序程度的量度,熵越大则物体内分子运动无序程度越大,A正确;在孤立系统中,一个自发的过程总是向熵增加的方向进行,B错误;热力学第二定律的微观实质为熵是增加的,C正确;熵值越大,代表系统分子运动越无序,D正确。
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2.(多选)关于熵,下列说法正确的是( )
A.熵值越大,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高
B.熵值越小,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高
C.熵值越大,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序
D.熵值越小,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序
AD
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3.(多选)下面关于能源的说法正确的是( )
A.一切能源是取之不尽、用之不竭的
B.能源是有限的,特别是常规能源,如煤、石油、天然气等
C.大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源
D.核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大
BC
解析 尽管能量是守恒的,但耗散的内能无法再重新收集利用,所以能源是有限的,特别是常规能源,A错误,B正确;常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大,C正确,D错误。
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B 级 关键能力提升练
4.(多选)关于气体向真空中扩散的规律的叙述正确的是( )
A.气体分子数越少,扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
B.气体分子数越多,扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C.扩散到真空中的分子在整个容器中分布越均匀,其宏观态对应的微观态数目越大
D.气体向真空中扩散时,总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
ACD
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解析 气体分子向真空中扩散时,分子数越少,分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大;分子数越多,分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小,则A正确,B错误。扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大,即其宏观态对应的微观态最多,并且这一宏观态的无序性最大,则C、D正确。
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5.(2022广东深圳高三月考)某瓶0 ℃的冰熔化为0 ℃的水的过程中,分子的总动能 ,分子的总势能 。再往这瓶水中滴入红墨水,一段时间后,整杯水都变成了红色,这个过程是沿着分子热运动无序性_______ 的方向进行的。(均选填“增大”“减少”或“不变”)
不变
增大
增大
解析 温度是分子平均动能的标志,所以0 ℃的冰和0 ℃的水分子的总动能相等,即分子的总动能不变;将0 ℃的冰熔为0 ℃的水,需要吸收热量,所以0 ℃的冰的内能小于0 ℃的水的内能,而物体内能是分子的总动能和分子的总势能之和,所以0 ℃的冰分子的总势能小于0 ℃的水分子的总势能,即将0 ℃的冰熔为0 ℃的水,分子的总势能增大;由热力学第二定律可知,分子热运动总是沿着无序性增大的方向进行。
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6.如图所示,质量、温度相同的酒精,分别处于气态、液态和固态三种状态下,它们的熵的大小有什么关系 为什么
答案 见解析
解析 根据大量分子运动对系统无序程度的影响,热力学第二定律的另一种表述是:由大量分子组成的系统自发地变化时,总是向着无序程度增加的方向进行,至少无序程度不会减少。也就是说,任何一个孤立系统自发变化时,系统的熵要么增加,要么不变,但不会减少。质量相同、温度相同的酒精,可以由固态自发地向液态、气态转化,所以气态的酒精熵最大,其次是液态,固态时熵最小。第4节 熵——系统无序程度的量度
A级 必备知识基础练
1.下面关于熵的说法错误的是( )
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中,一个自发的过程总是向熵减少的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质为熵是增加的
D.熵值越大,代表系统分子运动越无序
2.(多选)关于熵,下列说法正确的是( )
A.熵值越大,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高
B.熵值越小,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高
C.熵值越大,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序
D.熵值越小,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序
3.(多选)下面关于能源的说法正确的是( )
A.一切能源是取之不尽、用之不竭的
B.能源是有限的,特别是常规能源,如煤、石油、天然气等
C.大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源
D.核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大
B级 关键能力提升练
4.(多选)关于气体向真空中扩散的规律的叙述正确的是( )
A.气体分子数越少,扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
B.气体分子数越多,扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C.扩散到真空中的分子在整个容器中分布越均匀,其宏观态对应的微观态数目越大
D.气体向真空中扩散时,总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
5.(2022广东深圳高三月考)某瓶0 ℃的冰熔化为0 ℃的水的过程中,分子的总动能 ,分子的总势能 。再往这瓶水中滴入红墨水,一段时间后,整杯水都变成了红色,这个过程是沿着分子热运动无序性 的方向进行的。(均选填“增大”“减少”或“不变”)
6.如图所示,质量、温度相同的酒精,分别处于气态、液态和固态三种状态下,它们的熵的大小有什么关系 为什么
第4节 熵——系统无序程度的量度
1.B 熵是物体内分子运动无序程度的量度,熵越大则物体内分子运动无序程度越大,A正确;在孤立系统中,一个自发的过程总是向熵增加的方向进行,B错误;热力学第二定律的微观实质为熵是增加的,C正确;熵值越大,代表系统分子运动越无序,D正确。
2.AD
3.BC 尽管能量是守恒的,但耗散的内能无法再重新收集利用,所以能源是有限的,特别是常规能源,A错误,B正确;常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大,C正确,D错误。
4.ACD 气体分子向真空中扩散时,分子数越少,分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大;分子数越多,分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小,则A正确,B错误。扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大,即其宏观态对应的微观态最多,并且这一宏观态的无序性最大,则C、D正确。
5.答案 不变 增大 增大
解析 温度是分子平均动能的标志,所以0℃的冰和0℃的水分子的总动能相等,即分子的总动能不变;将0℃的冰熔为0℃的水,需要吸收热量,所以0℃的冰的内能小于0℃的水的内能,而物体内能是分子的总动能和分子的总势能之和,所以0℃的冰分子的总势能小于0℃的水分子的总势能,即将0℃的冰熔为0℃的水,分子的总势能增大;由热力学第二定律可知,分子热运动总是沿着无序性增大的方向进行。
6.答案 见解析
解析 根据大量分子运动对系统无序程度的影响,热力学第二定律的另一种表述是:由大量分子组成的系统自发地变化时,总是向着无序程度增加的方向进行,至少无序程度不会减少。也就是说,任何一个孤立系统自发变化时,系统的熵要么增加,要么不变,但不会减少。质量相同、温度相同的酒精,可以由固态自发地向液态、气态转化,所以气态的酒精熵最大,其次是液态,固态时熵最小。
