5.3热力学第二定律 第4节熵——无序程度的量度 学案

第3节热力学第二定律第4节熵——无序程度的量度
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.
【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.
1．热力学第二定律使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(　　)
A．都具有方向性
B．只有部分具有方向性
C．没有方向性
D．无法确定
【解析】　自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性，例如，热传导、气体自由膨胀等．
【答案】　A
2．下列说法正确的是(　　)
A．热量能自发地从高温物体传给低温物体
B．热量不能从低温物体传到高温物体
C．热传导是有方向性的
D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
【解析】　如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，选项A、C对，B错；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，具有方向性，选项D对．
【答案】　ACD
3．任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会(　　)
A．增加　　B．不变　　C．减小　　D．无法判断
【解析】　根据熵的增加原理知，在一个孤立系统中，熵都不会减小，故C正确．
【答案】　C
4．关于永动机不能制成的原因，下列说法正确的是(　　)
A．第一类永动机违反了能量守恒定律
B．第二类永动机违反了能量守恒定律
C．第一类永动机不能制成，说明了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性
D．第二类永动机不能制成，说明了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性
【解析】　第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背了热力学第二定律．
【答案】　AD
5．关于热力学第二定律的微观意义，下列说法中正确的是(　　)
A．大量分子无规则的热运动能够自发转变为有序运动
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
【解析】　热传递的过程中热量从温度高的物体向温度低的物体传递，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，而不是从有序运动向无序运动状态的转化；大量分子的运动不可能从无序运动自动转为有序运动；自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，
自然过程的方向性是热力学第二定律的本质，故A、B错误，C、D正确.
【答案】　CD
1下列哪些过程具有方向性(　　)
A．热传导过程
B．机械能向内能的转化过程
C．气体的扩散过程
D．气体向真空中的膨胀
【解析】　这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，根据热力学第二定律的基本内涵，它们都是不可逆的，具有方向性．
【答案】　ABCD
2．以下说法正确的是(　　)
A．热传导过程是有方向性的，因此两个温度不同的物体接触时，热量一定是从高温物体传给低温物体的
B．两个不同的物体接触时热量会自发地从内能多的物体传向内能少的物体
C．电冰箱制冷是因为电冰箱自发将内部热量传给外界
D．热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助
【解析】　热量可以自发地由高温物体传递给低温物体，热量从低温物体传递给高温物体要引起其他变化，A、D选项正确．
【答案】　AD
3．关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是(　　)
A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的
B．内能可以完全转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾
C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别
D．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律
【解析】　热力学第一定律和热力学第二定律并不矛盾，对于机械能和内能的转化所具有的方向性也是存在的，故B正确．
【答案】　B
4．下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是(　　)
A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开
B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开
C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%
【解析】　热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，A不属于热现象，A错；由热力学第二定律可知B、C、D正确．
【答案】　BCD
5．在研究性学习的过程中，同学们提出了以下四个活动方案，哪些从理论上讲是可行的(　　)
A．改进热机的生产工艺，总有一天热机的效率可达到100%
B．发明一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下
C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝
D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题
【解析】　热机的效率不可能达到100%，A错；绝对零度不可能达到，B错；汽车尾气中有害气体不会与空气自动分离，C错；太阳能可以发电和进行加热，D正确．
【答案】　D
6．(2013·青岛高二检测)下列说法中正确的是
(　　)
A．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
B．一切自然过程总是沿着分子热运动的有序性增大的方向进行
C．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵一定不会增大
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵可能减小
【解析】　根据熵增加原理，不可逆过程总是朝着熵增加的方向进行，故选A.
【答案】　A
7．下图5－3－2中气缸内盛有定量的理想气体，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并使之缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　　)
图5－3－2
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第二定律
B．气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律
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第二定律
D．A、B、C三种说法都不对
【解析】　气体吸热，并全部用以做功，但一定引起了其他的变化，并不违背热力学第二定律．
【答案】　C
8．用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图5－3－3所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象．关于这一现象的正确说法是(　　)
图5－3－3
A．这一实验过程不违反热力学第二定律
B．在实验过程中，热水一定降温，冷水一定升温
C．在实验过程中，热水的内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能
D．在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能
【解析】　自然界中的任何现象或过程都不违背热力学定律，本实验现象也不违反热力学第二定律，A正确；整个过程中能量守恒且热现象有方向性，B正确；在绝热过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误．
【答案】　AB
9．一绝热容器被隔板分成两半，一半是真空，另一半是理想气体，若把隔板抽出气体将进行自由膨胀，达到平衡后，则(　　)
A．温度不变，熵增加
B．温度升高，熵增加
C．温度降低，熵增加
D．温度不变，熵不变
【解析】　该过程是在真空中自由膨胀，不用克服外力
做功，即不对外做功，此时W＝0，又是绝热过程Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU＝0，即气体内能不变，所以温度不变．由热力学第二定律可知，自发的宏观过程总是向着熵增大的方向发展，所以熵增加．
【答案】　A
10．(2013·杨陵检测)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5－3－4甲)．现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如图5－3－4乙所示)，这个过程称为气体的自由膨胀．下列说法正确的是(　　)
图5－3－4
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
【解析】　抽去隔板后，气体做无规则热运动，故A错．因容器绝热故Q＝0，又因气体自由膨胀故W＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知ΔU＝0，则气体的温度不变，C项正确．由＝C可知p减小，故B错．气体在足够长的时间内不会自动回到A部分，而是做无规则热运动，故D错．
【答案】　C
11．炎炎夏日，两位同学在充满凉意的空调室内，就空调机的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发生了争论．一位同学说：空调机工作时，不断地把热量从室内传到室外，即从低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二定律．另一位同学说：热力学第二定律是热力学系统的普遍规律，空调机的工作过程不可能违反它．两人各执一词，都无法使对方信服．请你对他们的论点作出评论．
【答案】　压缩机是空调机的“心脏”，它消耗电能对来自蒸发器的制冷剂蒸汽做功，使它变成高温高压的蒸汽．然后这些高温高压的蒸汽来到冷凝器，向低温的环境放热，同时自身被冷却而凝成低温高压的液体．
这些低温高压的液体制冷剂由过滤器滤掉水分和杂质，进入毛细管，经节流阀膨胀，变为低温低压的液体，随后进入空调机的蒸发器．在蒸发器内，这些低温低压的液态制冷剂在低压条件下迅速汽化，从外界(空调机内)吸收热量，使空调机的温度降低．这样就完成了一个制冷循环．
由此可见乙同学的论点正确．
12．热力学第二定律常见的表述有两种．第一种表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化；第二种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．
图5－3－5(a)是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体．请你根据第二种表述完成示意图5－3－5(b)．
图5－3－5
根据图5－3－5你的理解，热力学第二定律的实质是什么？
【解析】　
第二种表述的意思是：热机吸收热量，对外做功，同时把热量传给低温物体．其表述示意图如图所示．其实质是：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性．
【答案】　图见解析　一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性