2020春人教版选修3_3高中物理课时作业18热力学第二定律的微观解释

课时作业18　热力学第二定律的微观解释
基础巩固
1．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会减小
解析：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；热力学第二定律是一个统计规律，A对；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．
答案：A
2．一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵(　　)
A．增大　　　　　　　　 B．减小
C．不变 D．无法确定
解析：气体被压缩过程中，体积减小，分子间的相对位置越来越确定，系统的无序程度越来越小，所以熵减小．
答案：B
3．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1①所示)．现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如图1②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，气体分子只作定向运动
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：气体分子永不停息地做无规则运动，故A错，自由膨胀，气体对外不做功，容器绝热，其热传递的能量为零．由热力学定律及其微观解释可知内能不变，温度不变，但由于体积增大，压强减小，故B错C对．由于涉及热现象的宏观过程有方向性．状态总是自发有序向无序变化，故D错．
答案：C
4．(多选)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或不变，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加无序的状态发展
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：根据熵增加原理，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少可知，A对，B错；根据热力学第二定律的微观解释可知，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，所以C对，D错．
答案：AC
5．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．自然界的实际过程是可逆的
B．功可以全部转变成热
C．自然界中存在着吸热温度增加，但熵值减少的过程
D．系统达平衡时熵值最大，无序程度最高
解析：自然界中的实际过程有方向性，A错；功可以全部转变成热，热不能全部变成功，B对；温度升高，无序度增大，熵增加，C项错．
答案：BD
6．若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中的气体，下列说法正确的是(　　)
A．气体分子间的作用力增大
B．气体分子的平均速率增大
C．气体分子的平均动能减小
D．气体组成的系统的熵增加
解析：若一气泡从湖底上升到湖面的过程中，分子间的距离变大，气体分子间的作用力(表现为引力)变小，故A错；温度保持不变，故气体分子的平均动能不变，分子的平均速率也就不变，故B、C错；由熵增加原理，可知D对．
答案：D
7．(多选)对“覆水难收”的叙述正确的是(　　)
A．盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较少，较为有序
B．盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较多，较为无序
C．泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较多，较为无序
D．泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较少，较为有序
解析：一切自然的过程总是从有序转化为无序，因此盆中的水是有序的，泼出的水是无序的．
答案：AC
综合应用
8．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对，B、C、D错．
答案：A
9．在相对封闭的空间环境中(如冰箱内的空间、公共卫生间等)，常会充满异味，能否发明一种简单的除味装置，去除这些环境中的异味，且不引起其他的变化，下列判断正确的是(　　)
A．不符合热力学第一定律，可以去除
B．符合热力学第二定律，可以去除
C．符合热力学第二定律，不可以去除
D．不符合热力学第二定律，不可以去除
解析：异味的产生是由带有异味的气体分子在空气中扩散造成的，根据热力学第二定律，这种大量分子参与的宏观过程是具有方向性的，要逆着这个方向进行，就必然引起其他的变化，即在不引起其他变化的前提下，是不可能让这些带有异味的气体分子重新聚集在一起从而消除异味的．
答案：D
10．如图2所示为一带活塞的气缸，缸内盛有气体，缸外为恒温环境，气缸壁是导热的，现令活塞向外移动一段距离，在此过程中气体吸热，对外做功，此功用W1表示，然后设法将气缸壁及活塞绝热，推动活塞压缩气体，此过程中外界对气体做功用W2表示，则(　　)
图2
A．有可能使气体回到原来状态，且W1B．有可能使气体回到原来状态，且W1＝W2
C．有可能使气体回到原来状态，且W1>W2
D．不可能使气体回到原来状态，且W1解析：本题要理解“原来状态”的含义，就是要求变化前后的温度、压强和体积都不发生改变，活塞向外移动气体吸热，对外做功，在回来的过程中绝热，则要回到原位置，就需要做更多的功，故W1答案：D
11．a、b两个分子分配在容器A、B里共有______个微观态，每个微观态出现的几率为________．那么N个分子分配在l个容器中，共有______个微观态，每个微观态出现的几率为______．
解析：将A、B容器看作一个孤立系统，则每种分配情况可看作一个微观态，如下表：
A容器
0
ab
a
b
B容器
ab
0
b
a
那么共有4个微观态，且出现微观态的几率为，依次推广，可知N个分子在l个容器中共有lN个微观态，每种微观态出现的几率为.
答案：4　　lN　
12．热力学第二定律指出了热传递方向和热功转化方向的不可逆性，这一结论可以从微观角度出发，从统计意义来进行解释．气体自由膨胀的不可逆性可以用几率来说明，如图3所示：
图3
a、b、c三个分子在A、B两室的分配方式
A室
abc
ab
bc
ca
c
a
b
0
B室
0
c
a
b
ab
bc
ca
abc
则(1)a分子出现在A室的几率为________；
(2)a、b、c三分子全部回到A室的几率为________；
(3)N0个分子全部自动收缩到A室的几率为________.
解析：a分子在自由运动后，在A室、B室的几率分别为，b分子在A室、B室的几率分别为，c分子在A室、B室的几率为，则a、b、c均在A室的几率为
××＝＝
假设有N0个分子，则均在A室的几率为.
答案：　　
13．质量相同、温度相同的水，如图4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？
图4　水的三种状态的微观结构示意图
解：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．
14．自然过程的方向性是从有序状态自发地转向无序状态．如何根据这种理论说明热传递和功变热两种过程的不可逆性？
解：在热传递过程中，热量总是从高温物体自发地传向低温物体，直到两物体的温度相同．初始状态，进行热传递的两个物体所组成的系统温度不同，这是比较不均匀的状态，也即比较有序的状态；终了状态，系统的温度相同，这是比较均匀的状态，也即比较无序的状态．所以，热传递过程使系统从比较有序的状态向着比较无序的状态转化．这个过程是自发进行的，而自发进行的过程，总是朝着熵增加的方向进行，也即朝着无序化程度增加的方向进行，所以说，热传递的过程是一个不可逆的过程．
同样，功变热的过程也是不可逆的．这种不可逆性是指功(机械能)可以全部转化为热(内能)，而热(内能)却不能自发地全部转化为功．具有机械能的物体可以说处在一种比较有序的状态，随着功变热过程的进行，能量的品质逐渐下降，物体无序化程度在增加，这种从有序自发地转向无序的过程，体现了自然过程的方向性，说明了功变热过程的不可逆性．
15．“愿破镜之重圆，冀也无端”，指的是镜子破了之后不可能再恢复到原来破之前的样子，从熵的角度解释镜子破了之后为什么不能自发地重圆．
解：一个孤立系统在由一个状态变到另一个状态的过程中，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．破损的镜子所处的宏观状态对应的微观状态较多，出现的概率大，熵大，破镜的过程其熵必然增加，所以破镜的过程不可逆．