2018-2019学年物理选修3-3：2.5+热力学第二定律的微观解释+Word版含答案
文档属性
| 名称 | 2018-2019学年物理选修3-3：2.5+热力学第二定律的微观解释+Word版含答案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 160.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-01-15 14:22:46 | ||
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文档简介
2.5 热力学第二定律的微观解释
学习目标
核心提炼
1.知道有序和无序、宏观态和微观态的概念。
4个概念——有序、无序、宏观态、微观态
1个原理——熵增加原理
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。
热力学第二定律的微观解释
1.有序和无序：一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；个体分布没有(选填“有”或“没有”)确定的要求，“怎样分布都可以”即无序。
2.宏观态和微观态：系统的宏观状态即宏观态，系统内个体的不同分布状态即微观态。
一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的。
3.热力学第二定律的微观意义
(1)气体向真空的扩散：气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的。
(2)热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
4.熵及熵增加原理
(1)熵：表达式S＝kln Ω，k表示玻耳兹曼常量，Ω表示一个宏观状态所对应的微观态的数目，S表示系统内分子运动无序性的量度，称为熵。
(2)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
思考判断
(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较多，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。(×)
热力学第二定律的微观解释
[要点归纳]
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速率要大于低温物体。
(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加剧，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，而终了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”。
3.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。
[精典示例]
[例] 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
解析 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。
答案 A
有序及无序过程的判断
(1)解此类题目要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则和要求的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布是无序的。
(2)无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的。
[针对训练] (多选)从微观角度看，下列说法正确的是( )
A.热力学第二定律是一个统计规律
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
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性程度的。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会沿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B错误，A、C、D正确。
答案 ACD
1.(热力学第二定律的微观解释)(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 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。
答案 CD
2.(熵概念的理解)(多选)关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
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。
答案 AC
基础过关
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
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。
答案 BD
2.(多选)下列关于熵的观点中正确的是( )
A.熵越大，系统的无序度越大
B.对于一个不可逆绝热过程，其熵总不会减小
C.气体向真空扩散时，熵值减小
D.自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多
解析 熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，选项A正确；一个不可逆绝热过程，其宏观状态对应微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，选项B正确；气体向真空中扩散，无序度增大，熵值增大，选项C错误；自然过程中，无序程度较大的宏观态出现的概率大，因而通向无序的渠道多，选项D正确。
答案 ABD
3.(多选)下列关于气体在真空中的扩散规律的叙述中正确的是( )
A.气体分子数越小，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
B.气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C.扩散到真空容器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，总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析 由热力学第二定律的微观解释“一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行”和熵的概念可知，A、C、D正确。
答案 ACD
4.已知一个系统的两个宏观态甲、乙，及对应微观态的个数分别为较少、较多，则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的是( )
A.甲比较有序，乙比较无序，甲→乙
B.甲比较无序，乙比较有序，甲→乙
C.甲比较有序，乙比较无序，乙→甲
D.甲比较无序，乙比较有序，乙→甲
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，A正确，B、C、D错误。
答案 A
能力提升
5.(多选)关于熵，下列说法中正确的是( )
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
答案 AD
6.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1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( )
图1
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 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，所以气体压强变小，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。
答案 C
7.如图2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？
图2
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，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。
答案 S固
学习目标
核心提炼
1.知道有序和无序、宏观态和微观态的概念。
4个概念——有序、无序、宏观态、微观态
1个原理——熵增加原理
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。
热力学第二定律的微观解释
1.有序和无序：一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；个体分布没有(选填“有”或“没有”)确定的要求，“怎样分布都可以”即无序。
2.宏观态和微观态：系统的宏观状态即宏观态，系统内个体的不同分布状态即微观态。
一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的。
3.热力学第二定律的微观意义
(1)气体向真空的扩散：气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的。
(2)热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
4.熵及熵增加原理
(1)熵：表达式S＝kln Ω，k表示玻耳兹曼常量，Ω表示一个宏观状态所对应的微观态的数目，S表示系统内分子运动无序性的量度，称为熵。
(2)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
思考判断
(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较多，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。(×)
热力学第二定律的微观解释
[要点归纳]
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速率要大于低温物体。
(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加剧，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，而终了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”。
3.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。
[精典示例]
[例] 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
解析 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。
答案 A
有序及无序过程的判断
(1)解此类题目要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则和要求的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布是无序的。
(2)无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的。
[针对训练] (多选)从微观角度看，下列说法正确的是( )
A.热力学第二定律是一个统计规律
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
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性程度的。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会沿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B错误，A、C、D正确。
答案 ACD
1.(热力学第二定律的微观解释)(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 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。
答案 CD
2.(熵概念的理解)(多选)关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
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。
答案 AC
基础过关
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
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。
答案 BD
2.(多选)下列关于熵的观点中正确的是( )
A.熵越大，系统的无序度越大
B.对于一个不可逆绝热过程，其熵总不会减小
C.气体向真空扩散时，熵值减小
D.自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多
解析 熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，选项A正确；一个不可逆绝热过程，其宏观状态对应微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，选项B正确；气体向真空中扩散，无序度增大，熵值增大，选项C错误；自然过程中，无序程度较大的宏观态出现的概率大，因而通向无序的渠道多，选项D正确。
答案 ABD
3.(多选)下列关于气体在真空中的扩散规律的叙述中正确的是( )
A.气体分子数越小，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
B.气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C.扩散到真空容器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，总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析 由热力学第二定律的微观解释“一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行”和熵的概念可知，A、C、D正确。
答案 ACD
4.已知一个系统的两个宏观态甲、乙，及对应微观态的个数分别为较少、较多，则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的是( )
A.甲比较有序，乙比较无序，甲→乙
B.甲比较无序，乙比较有序，甲→乙
C.甲比较有序，乙比较无序，乙→甲
D.甲比较无序，乙比较有序，乙→甲
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，A正确，B、C、D错误。
答案 A
能力提升
5.(多选)关于熵，下列说法中正确的是( )
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
答案 AD
6.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1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( )
图1
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 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，所以气体压强变小，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。
答案 C
7.如图2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？
图2
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，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。
答案 S固