第3节 热力学第二定律
第4节 熵——无序程度的量度
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解热传导及宏观过程的方向性．(重点)
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．(重点)
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．(难点)
自然过程的方向性 热力学第二定律的表述
1．自然过程的方向性
(1)可逆过程和不可逆过程
①可逆过程
一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它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与外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程．
(2)热传导的方向性
①热量可以自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分．
②热量不能自发地由低温物体传给高温物体．
③热传递是不可逆过程，具有方向性．
(3)功和热相互转变的方向性
①功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性．
②热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性．
(4)结论
凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性．
2．热力学第二定律的表述
(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．
1．第一类永动机违背了能量守恒定律．(√)
2．机械能可以转变为内能，内能不可以转变为功．(×)
3．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体．(√)
(1)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．
(2)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．
探讨1：一杯热水放在教室里，热水中的热量会自发地传递给空气．其中“自发地”的含义是什么？
【提示】 “自发地”是指没有受到任何外界影响或者干扰．
探讨2：空调和电冰箱工作时，热量从低温物体传递给高温物体．电冰箱和空调违反热力学第二定律吗？为什么？
【提示】 不违反；因为这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即必须开动空调、电冰箱的压缩机消耗电能．
1．对两种表述的理解
(1)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)“不引起其他变化”是指使热量从低温物体传递到高温物体时外界不消耗任何功或从单一热源吸收热量全部用来做功而外界及系统都不发生任何变化．
(3)克劳修斯表述是说热量不能自动地从低温物体转移到高温物体．如果外界消耗一定量的功，把热量从低温物体转移到高温物体是完全可能的，如电冰箱和空调机的制冷过程．
(4)开尔文表述表明了在引起其他变化或产生其他影响的条件下，热量能够完全转化为功，如理想气体的等温自由膨胀，内能不变，吸收的热量全部转化为功，但却引起了体积的膨胀．
2．热力学第二定律的普遍性
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．
图5-3-1
3．热力学第二定律的推广
对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述．例如，在图5-3-1中，盒子中间有一个挡板，左室为真空，右室有气体．撤去挡板后，右室的气体自发向左室扩散，而相反的过程不可能自发地进行．因此，热力学第二定律也可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的．
1．下列关于热力学第二定律的说法正确的是( )
A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C．机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能而不引其他影响
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
E．热运动的宏观过程会有一定的方向性
【解析】 热运动的宏观过程会有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不能都真的发生，故A错误，E正确；根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，所以气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确，D错误；根据热力学第二定律，不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，所以机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能，故C正确．
【答案】 BCE
2．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
E．热量可以从低温物体传向高温物体，而不引起其他的影响
【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知，D正确，E错误．
【答案】 BCD
3．下列说法中正确的是( )
A．机械能全部转化为内能是不可能的
B．机械能可以全部转化为内能
C．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会消失，也不会创生，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式
D．根据热力学第二定律可知，热量可能从低温物体传到高温物体
E．从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的
【解析】 机械能可以全部转化为内能，故A错误，B正确；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故C错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故D正确；从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故E正确．
【答案】 BDE
理解热力学第二定律的方法
(1)理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性．理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”．
(2)正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响．
熵
1．有序与无序
(1)温度高低的区别在于分子的平均动能不同．热传导这个不逆过程使无序程度增加了．
(2)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．熵和熵增加原理
(1)熵的定义
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．无处不在的熵
在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量逐渐丧失做功的本领，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．
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．(×)
成语“覆水难收”指一盆水泼出后是不可能再回到盆中的，请结合熵的变化解释为什么水不会自发地聚到盆中．
【提示】 由于盆的形状确定，水在盆中时，空间位置和所占据的空间的体积一定，显得“有序”“整齐”和“集中”，系统的熵低．当把水泼出后，它的形状不再受盆的限制，各种可能的形状都有，占据的空间面积和所处的位置都有多种可能，显得“混乱”“分散”，较为“无序”，系统的熵高．水泼出的过程属于从有序向无序的转化过程，导致熵的增加，符合熵增加原理．反之，水聚到盆中的过程，属于从无序向有序的转化，即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理，因此水不能自发地聚到盆中．
探讨1：熵的大小与无序性的大小有什么关系？
【提示】 熵值越大其无序性越大．
探讨2：在自然过程中，孤立系统的熵一定增大吗？
【提示】 在自然过程中，孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展．
1．对熵的理解
(1)熵是反映系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵就越大．
(2)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．
2．对熵增加原理的理解
(1)对于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．
(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，熵值越大代表着越无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展．
4．在下列叙述中，正确的是( )
A．熵是物体内分子运动无序程度的量度
B．对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向减少的方向进行
C．热力学第二定律的微观实质是：熵总是增加的
D．熵值越大，表明系统内分子运动越无序
E．能量耗散说明能量在不断减小
【解析】 熵是物体内分子运动无序程度的量度，系统内分子运动越无序，熵值越大，故A、D正确；对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行，故B错误；根据热力学第二定律，扩散、热传递等现象与温度有关，凡是与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，其实质表明熵总是增加的，故C正确；能量耗散是指能量的可利用率越来越低，但能量仍然是守恒的，故E错误．
【答案】 ACD
5．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
E．在自然的可逆过程中，孤立系统的总熵不变
【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；对于可逆的自然过程，总熵不变，E对；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】 ACE
熵的五点注意
(1)熵的微观意义：熵是系统内分子热运动无序性的量度．
(2)熵是表示一个体系自由度的物理量．熵越大，表示在这个体系下的自由度越大，可能达到的状态越多．
(3)熵不是守恒的量，在孤立体系中经过一个不可逆过程，熵总是增加的．
(4)熵的本质：熵是体系微观混乱度的量度，混乱度越大，熵值也越大．
(5)一个孤立系统的自然可逆过程中，总熵不变．
课件32张PPT。知识点一知识点二学业分层测评自然过程的方向性 热力学第二定律的表述 系统和外界原来的系统外界高温低温高温低温低温高温不可逆方向性不可逆方向性不可逆方向性热现象方向性低温高温单一热源有用功等价的不可逆的单一热源完全第一定律第二定律不可能熵 平均动能增加增大无序程度熵增加能量丧失不可品质
