鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第3章 第3节 热力学第二定律 第4节 熵——系统无序程度的量度学案word含解析

第3节　热力学第二定律
第4节　熵——系统无序程度的量度
核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任
1.知道什么是可逆过程和不可逆过程。
2.知道热传递的方向性及与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
3.了解热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因。
4.了解熵的概念及熵增加原理，并能解释生活中的有关现象。 热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系 知道能量退降，并体会人类节约能源，提高能源的利用效率，积极开发新能源的必要性。
知识点一　可逆过程与不可逆过程
[观图助学]
一滴墨水在清水中可以自发地扩散，直至扩散均匀，如图所示，那么扩散均匀后的墨水能否自发地再自动凝成一滴墨水呢，墨水的扩散过程是可逆的吗？
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
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.热传递的方向性
(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.功热转化的方向性
功热转化这一热现象是不可逆的，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。
[思考判断]
(1)100 ℃的水经过热量的散失过程变为冷水，冷水加热后又变为100 ℃的水，说明热量的散失是可逆过程。(×)
(2)热量不会从低温物体传给高温物体。(×)
(3)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。(√)
由生活经验可知，墨水扩散过程不可逆。
光滑气缸和活塞封闭一定量的气体，用酒精灯加热后气体膨胀，活塞上升，当气体散热回到原来温度时活塞又会回到原来的位置，但气体膨胀过程并不是可逆过程。
热量可以由低温物体传到高温物体，但是不能自发地进行，如夏天利用空调降温。
凡是与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
知识点二　热力学第二定律及第二类永动机
[观图助学]
如图中冰箱是家庭生活的必需品，它有很好的保鲜、冰冻等作用，可以用来储存水果、饮料、肉类等，冰箱可以通过压缩机的工作，将热量从冰箱内转移到冰箱外，试着思考：(1)热量能否从低温物体传到高温物体？(2)冰箱工作过程中，热量的传递是自发进行的吗？
1.热力学第二定律
(1)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。
(2)开尔文表述
不可能从单一热源吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化。
2.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引起其他变化的机器。
(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实现的。
[思考判断]
(1)在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体。(√)
(2)不可能从单一热源吸取热量使之完全用来做功。(×)
(3)第二类永动机违背了热力学第二定律。(√),
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。
设计一种机器，它直接从海洋吸收热量，使之完全转变为有用功，这就是一种第二类永动机。
知识点三　熵——系统无序程度的量度
1.有序与无序
(1)生活中符合某种规则的现象称为有序，反之称为无序。规则越多，一个宏观状态对应的微观状态越少，出现的概率越小，我们称之为越有序。反之规则越少，一个宏观状态对应的微观状态就越多，出现的概率也越大，我们称之为越无序。
(2)热力学第二定律的微观本质：与热现象有关的自然发生的宏观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作熵。
(2)熵增加原理
在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增加的方向进行。
3.熵与能量退降
在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量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。
[思考判断]
(1)一个宏观态所对应的微观态数目越多，则熵越大。(√)
(2)封闭系统的自然过程熵总是增加的。(√)
(3)熵值越大代表越有序。(×)
甲图中气体分子的分布比乙图中气体分子的分布要有序。
系统越无序，熵越大。
与外界既没有物质交换又没有能量交换的系统称为孤立系统。
能量退降并不是能量消失，只是从可利用的状态转化为了不可利用状态。
核心要点 　热力学第二定律的理解
[问题探究]
(1)热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？
(2)如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题：
①制冷机工作时热量是自发地从低温热源传到高温热源吗？
②热机工作时能否将从高温热源吸收的热量全部用来做功？
答案　(1)不能。两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。
(2)①不是　②不能
[探究归纳]
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。
(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发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。
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。
[经典示例]
[例1] (多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是(　　)
A.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
B.没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的
C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化
D.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
解析　热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，选项A正确，B错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故选项C错误，D正确。
答案　AD
规律总结
(1)一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定都能实现。
(2)热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的。例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热源吸收热量，使之完全用来做功。但不是自发的或是产生了其他影响。
[针对训练1] (多选)关于热传导的方向性，下列说法正确的是(　　)
A.热量能自发地由高温物体传给低温物体
B.热量能自发地由低温物体传给高温物体
C.在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体
D.热量不可能从低温物体传给高温物体
解析　在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，而热量只能自发地从高温物体传给低温物体。
答案　AC
核心要点 　热力学第二定律与热力学第一定律比较
[要点归纳]
1.热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系
热力学第一定律 热力学第二定律
区别 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，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机
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，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
2.两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
设计要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)
不可能的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
[经典示例]
[例2] 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.内能可以全部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转化的规律，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　热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和其他形式能发生转化的方向性，两者并不矛盾，选项A、C、D错误，B正确。
答案　B
[针对训练2] 关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是(　　)
A.第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律
B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的
解析　第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机违背热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但不引起其他变化是不可能的，D正确。
答案　D
核心要点 　熵——系统无序程度的量度
[要点归纳]
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。
[经典示例]
[例3] (多选)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。A、B错误，C、D正确。
答案　CD
规律总结　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：熵是体现微观混乱度的量度，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。
[针对训练3] (多选)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
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。
答案　ACD
1.(宏观过程的方向性)我们绝不会看到一个放在水平地面上的物体，依靠降低温度就可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来。其原因是(　　)
A.违反了能量守恒定律
B.在任何条件下内能不可能转化成机械能，只有机械能转化成内能
C.机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的
D.以上说法均不正确
解析　机械能和内能可以相互转化，但必须通过做功来实现。由热力学第二定律可知：内能不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。
答案　C
2.(热力学第二定律的理解)下列说法正确的是(　　)
A.机械能全部变成内能是不可能的
B.第二类永动机不可能制造成功是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式
C.根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体
D.从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的
解析　机械能可以全部转化为内能，故A错误；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B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C错误；从单一热源吸收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热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D正确。
答案　D
3.(第二类永动机)第二类永动机不可以制成，是因为(　　)
A.违背了热力学第一定律
B.热量总是从高温物体传递到低温物体
C.机械能不可能全部转变为内能
D.内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
解析　第二类永动机设想虽然符合热力学第一定律，但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律，所以不可能制成，故选D。
答案　D
4.(熵的理解)(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，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
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
基础过关
1.(多选)下列说法中正确的是(　　)
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可以实现的
C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D.一切物理过程都不可能自发地进行
解析　由热力学第二定律的物理意义知，A、C正确，D错误；不违背能量守恒定律的物理过程，如果违背热力学第二定律，也是无法实现的，故B错误。
答案　AC
2.(多选)下列自发过程熵增加的是(　　)
A.晶体熔化为液体 B.水蒸发成为水蒸气
C.水凝固成冰 D.红墨水滴入一杯清水中
解析　根据熵增加原理，自然界的一切自发过程，总是朝着熵增加的方向进行，水凝固成冰过程中，分子的无序程度减小，也就是熵减小，故C错误；晶体熔化为液体，水蒸发成为水蒸气，红墨水滴入一杯清水中，分子无序程度增加，故A、B、D正确。
答案　ABD
3.关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是(　　)
A.将地球上所有海水的温度降低0.2 ℃，以放出大量的内能供人类使用
B.布朗运动是液体分子的运动，它说明液体分子永不停息地做无规则运动
C.打开一高压密闭容器，气体自发溢出后可以自发回去，恢复原状
D.热传递具有方向性
解析　自然界一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、C错误；布朗运动不是液体分子的运动，而是固体颗粒的运动，B错误。
答案　D
4.关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　)
A.热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律
B.热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律
C.热力学第二定律是物理学家从理论推导得出来的结果
D.热力学第二定律没有理论和实验的依据，因此没有实际意义
解析　热力学第二定律是物理学家通过对大量自然现象的分析，又总结了生产和生活经验得到的结论，是一个经验定律，它并不能通过理论和实验来证明，但它符合客观事实，因此是正确的。它揭示了热现象宏观过程的方向性，使人们认识到第二类永动机不可能制成，对我们认识自然和利用自然有着重要的指导意义。
答案　B
5.下列说法正确的是(　　)
A.第二类永动机违背了能量守恒定律
B.第二类永动机违背了热力学第二定律
C.根据能量守恒定律，经过不断的技术改造，热机的效率有可能达到100%
D.电冰箱和空调机工作时，热量从低温热源传到高温热源，违背了热力学第二定律
解析　第二类永动机没有违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，A错误，B正确；热机的效率永远小于100%，因为要向低温热源散热，C错误；电冰箱和空调机工作时，是通过压缩机做功，来实现热量从低温热源到高温热源的传递，所以并没有违背热力学第二定律，D错误。
答案　B
能力提升
6.(多选)如图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外，下列说法正确的是(　　)
A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
解析　热力学第一定律适用于所有的热学过程，选项C正确，D错误；由热力学第二定律可知选项A错误，B正确。
答案　BC
7.在下列四个过程中，可能发生的是(　　)
A.某物体从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生任何其他影响
B.打开一高压密闭容器，容器内的气体自发流出后又自发流回该容器里去，恢复原状
C.以引起其他变化为代价，使低温物体的温度更低，高温物体的温度更高
D.两瓶不同液体自发地互溶过程是朝着熵减小的方向进行的
解析　A错误，违反了热力学第二定律；由于自发过程的方向性，可知B错误，C正确；液体自发的互溶过程是不可逆过程，必然是朝着熵增加的方向进行的，故D错误。
答案　C
8.如图所示，气缸内盛有一定质量的理想气体，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，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功。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(　　)
A.气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违反热力学第二定律
B.气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，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，此过程不违反热力学第二定律
D.以上三种说法都不对
解析　由于气缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动的过程中，有足够时间进行热交换，所以气缸内的气体温度也不变。要保持其内能不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律。此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能发生。
答案　C
9.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(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(b)。
根据你的理解，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