【2012 精品课件】沪科版物理选修3-3 4．3　热力学第二定律和4．4　描述无序程度的物理量

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【2012 精品课件】沪科版物理选修3-3 4．3　热力学第二定律和4．4　描述无序程度的物理量
4．3　热力学第二定律

4．4　描述无序程度的物理量
课标定位
学习目标：1.知道热传递过程的方向性．
2．知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质．
3．知道什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成．
4．理解热力学第二定律的微观含义，了解熵的概念及用熵的概念表示的热力学第二定律．
重点难点：对热力学第二定律两种表述的理解，对熵概念的理解．
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
4.4　
描述无序程度的物理量
课前自主学案
课前自主学案
一、自然过程的方向性
1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是_______的，即宏观自然过程具有______性．
2．德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量__________地从低温物体传到高温物体，这就是热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是热传递的_______．
不可逆
方向
不能自发
方向性
二、理想热机的启示——开尔文表述
1．开尔文于1851年提出了热力学第二定律的另一种表述，即开尔文表述：不可能从___________吸收热量，使之______变成功，而不产生其他影响．
2．热力学第二定律的上述两种表述是______的，可以从一种表述推导出另一种表述，对任何一类宏观自然过程__________的说明，都可以作为热力学第二定律的表述．
单一热源
完全
等价
进行方向
3．热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的__________，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有_____性．
不可逆性
方向
思考感悟
如图4－3－1所示操作后，拿掉物块，活塞还能自发地返回原位置吗？
图4－3－1
提示：拿出物块后，活塞不能返回原位置．因为这违背了热力学第二定律．
三、宏观方向性的微观本质
1．在生活中遇到的有关事件，只要确定了某种规则，符合这个规则的就是_____的，如果对个体没有确定的要求，我们就说这是_____的，如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较_____的．
2．一切自然过程总是沿着分子热运动的_______ ______的方向进行．这就是热力学第二定律的微观意义．
有序
无序
无序
无序性
增大
四、一个非常有用的概念——熵
1．在物理学上，为了描述一个系统的__________，引入了一个物理量，叫做熵．系统的熵高，表示无序程度大,显得“混乱”和“分散”；系统的熵低，表示无序程度小，显得“有序”、“整齐”和“集中”．
2．引入熵之后，关于自然过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵__________．这就是用熵的概念表示的热力学第二定律．
无序程度
不会减少
五、无处不在的熵
1．任何宏观物质系统，他们都有熵．而且熵可以在过程中增加和传递．大量事实证明，每一个不可逆过程，都是导致________的根源．
2．能量转化与守恒定律和熵增加原理是自然界中两条普遍的规律，堪称是宇宙的法规，它们一起控制着一切自然过程中的发生和发展；任何过程中一切参与者的总能量必定__________，总熵必定__________．
熵增加
保持不变
不会减少
核心要点突破
一、对热力学第二定律的理解
1．两种表述
(1)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．这是按照热传导的方向性来表述的．
(2)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．也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的．这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的．
2．在热力学第二定律的表述中，正确理解“自发地”、“不产生其他影响”的涵义是解题的关键．
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等．
(2)“不产生其他影响”的涵义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热库吸收热量全部用来做功，不须通过第三者的帮助．这里的帮助是指提供能量等方式．
3．两种表述等价性的证明
两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的．下面给出证明：
设表述(1)不成立，如图4－3－2所示，低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2.那么，我们可在高温热源T1和低温热源T2之间设置一热机，使它从高温热源吸收热量Q1，对外做功W，并把热量Q2传递给低温热源．当这一过程完成之时，低温热源由于吸热和放热相等，没有引起其他变化．高温热源放出热量Q1大于吸收热量Q2，热机对外做功
W＝Q1－Q2，相当于高温热源放出的热量全部用来对外做功，且没有引起其他变化，也就是说单一热源所放出的热量全部用来做功．这显然是违反表述(2)的．即凡违反表述(1)的说法，必然违反表述(2)．反之，也可以证明，凡违反表述(2)的，也必然违反表述(1)．
图4－3－2
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
1.根据热力学第二定律，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：选AD.本题考查对热力学第二定律的综合理解．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，因而引起其他变化，故A选项正确，B选项错误．热传导过程也具有方向性，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C选项错误，D选项正确．故正确答案为A、D.
二、第二类永动机(理想热机)不能制成的原因
1．热机的组成部分及原理
(1)热源：指燃烧燃料而获得能量的部件．
(2)工作物质：指利用获得的热量来做功的物质，如蒸汽机里的蒸汽、内燃机里燃烧后的高温气体．
(3)冷凝器：把做功后工作物质所剩余的热量进行再吸收的部分．如推动活塞做功后放出的蒸汽的温度也很高，如果把这种蒸汽直接放入大气中，则大气就是冷凝器．当然这样就白白浪费了剩余的蒸汽所具有的能量，通常把这种工作后剩余的蒸汽通过管道送入居民区用于烧水、做饭、取暖等．
2．热机效应分析
(1)因热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1>W.
(2)热机的效率不可能达到100%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的能量百分之百地转化成机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中．
3．第二类永动机违背热力学第二定律
虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热源，故第二永动机不可能制成．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
2.下列说法正确的是(　　)
A．热传导的过程是有方向性的
B．第二类永动机不可能制成，因为它违反能量守恒定律
C．第二类永动机不可能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性
D．热力学第二定律表明，所有的物理过程都具有方向性
解析：选AC.根据热力学第二定律和实验事实都可以说明，热传导的过程是有方向性的，热量可以从高温物体自发地传给低温物体，却不能自发地由低温物体传给高温物体，所以选项A正确．第二类永动机是一种热机，它希望能够从单一热源吸热全部用来做功而不引起其他任何的变化，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，所以选项B错误，选项C正确．热力学第二定律指出了所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性，并不是所有的物理过程都具有方向性，因此选项D的说法错误．
三、对熵的理解
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，不会使熵减少．
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．
4．一切自然过程的发生和发展中，总熵必定不会减少．
特别提醒：根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度，使其熵值达到最大值．
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．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
3.下面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．熵值越大代表着越无序
解析：选C.如果过程是可逆的，则熵不变；如果不可逆，则熵是增加的，而且一切自然过程都是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．
根据热力学第二定律，下列说法正确的是(　　)
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电能不可能全部转变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能
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
课堂互动讲练
热力学第二定律的理解及应用
例1
【精讲精析】　凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性．无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”，故A正确．火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确．热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行．必须借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种(克氏)表述的主要思想，故D正确．由电流热效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能．故B错误．答案为ACD.
【答案】　ACD
【方法总结】　与热现象有关的宏观物理过程具有方向性，是不可逆的，分析问题时要注意哪些过程可以“自发地”进行．哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响．
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
热力学第一、第二定律的比较
例2
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
【精讲精析】　热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热学中的具体体现．热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故C、D错误，B项正确；内能在一定条件下可以全部转化为机械能,热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作还要消耗电能，故A错误．
【答案】　B
【方法总结】　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，并不违背能量守恒定律，热力学第一定律揭示了能量守恒定律中的内能变化的方式．
热力学第二定律的开尔文表述指出：内能与机械能的转化具有方向性．请结合熵的变化加以解释．
【思路点拨】　根据热运动的无序性和熵的含义分析．
热力学第二定律的微观意义、熵
例3
【自主解答】　机械运动是宏观情况下物体在空间位置上的变化，物体运动状态的变化完全遵循牛顿运动定律所反映的因果关系,这是一种有序的运动．热运动是大量分子的无规则运动．系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态,这是一种无序的运动．机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，会导致熵的增加，符合热力学的规律，因此机械能可以全部转化为内能，反之热运动向机械运动的转化，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，因此内能向机械能的转化不能全部实现．
【答案】　见自主解答
变式训练　如图4－3－3所示，质量、温度相同的酒精，分别处于固体、液体和气体三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？
图4－3－3
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．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，可以由固体自发地向液体、气体转化，所以，气体的熵最大，其次是液体，固体时熵最小．
答案：S固