5.3热力学第二定律 熵——无序程度的量度 教案

第3节热力学第二定律
第4节熵——无序程度的量度
●课标要求
知识与技能
1.初步了解热力学第二定律．2.运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题．3.了解第二类永动机不能制成的原因．4.知道热力学第二定律的微观本质．5.知道熵的概念，了解熵增加原理．6.能用熵增加原理解释生活中一些现象．
过程与方法
1.与同学交流讨论热力学第二定律的多种不同表述方式的等效性，阐述自己的观点．2.调查身边的能量利用和环境污染的情况，能运用热力学规律给予解释，并能提出自己的建议．
情感、态度与价值观
1.具有节约能源，保护环境的意识．2.初步树立“经济、社会与自然协调发展”的科学发展观.
●课标解读
1．知道与热现象有关的宏观过程具有方向性．知道什么是可逆过程和不可逆过程．
2．了解热机的基本工作原理，理解热力学第二定律，知道热力学第二定律不同的表述方式是等效的．
3．能利用热力学第二定律解释一些物理现象，了解第二类永动机的设想及其不可能实现的原因．
4．了解热力学第二定律的微观本质．
5．初步了解熵是反映系统无序程度的物理量．
6．知道熵增加原理及其作用．
●教学地位
热力学第二定律与热力学第一定律都是热力学的基本定律．二者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.
●新课导入建议
覆水难水
君不见黄河之水天上来
奔流到海不复回
大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性？这是本节课研究的课题．
●教学流程设计
步骤3：师生互动完成“探究1”互动方式 除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路)



步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】
课　标　解　读
重　点　难　点
1.了解热传导及宏观过程的方向性．2.了解热力学第二定律的多种表述，并用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成的原因．3.了解熵的概念及熵增加原理，并能解释生活中的有关现象.
1.用热力学第二定律解释热传导方向性并能举出相应的例子．(重点)
2.用热力学第二定律解释自然界中能量转化的方向性问题，知道第二类永动机不可能制成的原因．(重点)3.从熵增加原理的角度解释某些热现象．(难点)
自然过程的方向性
1.基本知识
(1)可逆过程和不可逆过程
①可逆过程：能使系统和外界完全复原，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，则原来的过程称为可逆过程．
②不可逆过程：如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程．
(2)热传递的方向性
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，但不会自发地从低温物体传给高温物体．这说明热传递是不可逆过程，具有方向性．
(3)功转变为热的方向性
在焦耳的叶轮搅水实验中，重物下落使水温上升，是机械能转化为内能的过程；与此相反过程，即水温自动降低，产生水流，推动叶片转动，带动重物上升的过程是不可能发生的，尽管它不违背热力学第一定律．可见功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性．
(4)热转变为功的方向性
①热机：消耗内能对外做功的装置．
②原理：热机必须工作在两个温度不同的热源之间，通过工作物质，将从高温热源吸收的热量，一部分用来对外做功，另一部分完全损耗掉，损耗的热量不可能再自动地收集起来．所以热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性．
(5)结论
凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性．
2．思考判断
(1)凡是不违背能量守恒的过程都一定能实现．(×)
(2)在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体．(√)
(3)机械能可以转变为内能，内能不可以转变为功．(×)
3．探究交流
请举出日常生活中的一些不可逆过程．
【提示】　(1)破镜不能重圆．
(2)水从高山流到河谷，不可能自己再返回高山．
(3)一滴墨水滴入一杯清水中，墨水扩散均匀后，不可能再自动地凝聚成一滴墨水.
热力学第二定律的表述
1.基本知识
(1)第一种表述(克劳修斯表述)
不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化．(说明热传导的方向性)
(2)第二种表述(开尔文表述)
不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化．(说明机械能与内能转化的方向性)
热力学第二定律的这两种表述是等价的．热现象的宏观过程是不可逆的．
(3)第二类永动机
①定义
从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器．
②第二类永动机不可能制成
第二类永动机并不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律．
③热力学第二定律的又一表述
第二类永动机是不可能制成的．
2．思考判断
(1)第一类永动机违背了能量守恒定律．(√)
(2)第二类永动机违背了热力学第一定律．(×)
(3)第二类永动机违背了热力学第二定律．(√)
3．探究交流
有可能制成第二类永动机吗？
【提示】　第二类永动机不可能制成，尽管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而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性．
熵和熵增加原理
1.基本知识
(1)定义
用来量度系统无序程度的物理量叫做熵．
(2)熵增加原理
在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行，孤立系统是指与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统．
(3)热力学第二定律的微观本质：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．
2．思考判断
(1)熵是系统内分子运动无序性的量度．(√)
(2)在自然过程中熵总是增加的．(√)
(3)熵值越大代表越有序．(×)
3．探究交流
质量相同、温度相同的水，如图5－3－1所示分别处于固态、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？
　　　
气体　　　
液体　　　　　固体
图5－3－1
【提示】　根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又有一种表述：由大量分子组成的系统自发变化时，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，这也就是说，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少．质量相同、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小.
对热力学第二定律的理解
【问题导思】　
1．热力学第二定律的两种表述是什么？
2．热力学第二定律的不同表述有什么共同的物理意义？
1．两种表述是等价的
热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联系，然而实际上它们是等价的，即由其中一个，可以推导出另一个．
2．克劳修斯表述指明热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助，其物理本质是揭示了热传递过程是不可逆的．
3．开尔文表述中的“单一热源”指温度恒定且均匀的热源．“不引起其他变化”是指唯一效果是热量全部转变为功而外界及系统都不发生任何变化．其物理实质揭示了热转变为功过程是不可逆的．
4．热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的．
　
1．在可以引起其他影响的情况下，热可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等．
2．分析热力学第二定律的应用问题时都不能忽视“自发性”和“不引起其他变化”的物理意义．
　根据热力学第二定律，下列说法中正确的是(　　)
A．电流的电能不可能全部转变成内能
B．在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能
C．在热机中，燃气的内能不可能全部转变为机械能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
【审题指导】　解题的关键是理解热传导的方向性和能量转化的方向性．
【解析】　电能可以全部转化为内能，如纯电阻电路，而燃气的内能不可能全部转化为电能和机械能，故A错误，B、C正确．根据热力学第二定律关于热传导的描述，D正确．
【答案】　BCD
1．下列关于热现象的描述正确的是(　　)
A．根据热力学定律，热机的效率可以达到100%
B．做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的
C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同
D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规则的
【答案】　C
对熵和熵增加原理的理解
【问题导思】　
1．什么是熵？它是由物体的什么决定的？
2．从熵的概念分析，热力学第二定律的实质是什么？
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，这个系统的熵就越大．
2．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展．
3．对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行．或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小，这就是熵增加原理．
4．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．
　
熵增加原理的适用对象是对于孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少．
　对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是(　　)
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
【审题指导】　熵是反映系统的无序程度的物理量，根据熵增加原理，一个孤立系统熵永远不会减小．熵越大，无序程度越大．
【解析】　根据熵增加原理，一个孤立系统发生的实际过程，总熵只能增大，A正确，B错误．再根据熵的物理意义，它量度系统的无序程度，熵越大，无序程度越大，故C正确，D错误．
【答案】　AC
1．熵增加原理是判断不同状态的物体不可逆过程进行方向的共同标准．
2．熵增加原理与能量守恒定律在物理学中具有同等重要的地位，二者都是对自然过程的一种限制．
2．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．在自然过程中熵总是增加的
C．热力学第二定律也叫做熵减小原理
D．熵值越大表示系统越无序
【解析】　根据熵的定义知A正确．从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展，B正确．热力学第二定律也叫熵增加原理，C错．熵越大，系统越混乱，无序程度越大，D正确．故选C.
【答案】　C
综合解题方略——热力学第一定律
　　
与热力学第二定律的应用
　下列说法正确的是(　　)
A．物体吸收热量，其温度一定升高
B．热量只能从高温物体向低温物体传递
C．遵守热力学第一定律的过程一定能实现
D．做功和热传递是改变物体内能的两种方式
【审题指导】　根据热力学第一定律，热传递和做功都可以改变物体的内能．再根据热力学第二定律，可以判定热现象能不能发生．
【规范解答】　物体吸热温度不一定升高，A错．热量只能自发地从高温物体向低温物体传递，B错．遵守热力学第一定律的过程不一定能实现，C错．应选D.
【答案】　D
热力学第一定律与热力学第二定律的比较
规律区别联系　　
热力学第一定律
热力学第二定律
区别
热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性
热力学第二定律是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的宏观过程都具有方向性的经验总结
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.
课堂小结
【备课资源】(教师用书独具)
可逆过程与不可逆过程
1．可逆过程
在一个过程发生时，系统从某个状态Ⅰ经过一系列的中间状态，最后变化到另一个状态Ⅱ.如果使系统进行逆向变化，由状态Ⅱ经历与原过程完全一样的那些中间状态，回复到原状态Ⅰ；并且在逆向变化的过程中，原过程对外界所产生的一切影响逐步地被一一消除，在外界不留丝毫痕迹，则由状态Ⅰ到状态Ⅱ的过程，称为可逆过程．
可逆过程的条件：(1)单纯的、无机械能耗散的机械过程是可逆的．例如：一个理想的单摆，在没有空气阻力和其他摩擦力作用时，它的摆动过程是可逆的．(2)无摩擦、无耗散(漏气、散热或电磁损耗等)的准静态过程是可逆的．例如：如果气体膨胀或压缩的过程进行得无限缓慢，使气体在过程中的每一时刻都处于平衡态，而且没有漏气、摩擦和散热等损耗，则当过程逆向进行时，就能重复原过程的所有中间状态并恢复原状，在外界也不留下任何痕迹．即在不考虑摩擦、漏气和散热等损耗的理想情形下，准静态过程是可逆的．(说明：准静态过程是一种理想过程，当实际过程进行得无限缓慢时，各时刻系统的状态就无限地接近于平衡态，该过程便是准静态过程．)
2．不可逆过程
如果系统不能逆向回复到状态Ⅰ，或当系统在回复到初状态Ⅰ的逆向过程中，引起外界的变化，在外界留下了痕迹，使外界不能回复原状，则由状态Ⅰ到状态Ⅱ的过程，称为不可逆过程．
自然界一切自发过程都是不可逆过程．例如：(1)气体会自动地向真空膨胀，而不会自动地向一边收缩而使另一边变成真空．(2)高处的水会自动地向低处流动，而不可能自动地从低处流向高处．(3)热量会自动地从高温物体传向低温物体，而不会自动地从低温物体传向高温物体.