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word版含答案

第3节　热力学第二定律
第4节　熵——系统无序程度的量度
学习目标：1.[物理观念]知道热传导及宏观过程的方向性．　2.[科学态度与责任]知道热力学第二定律的多种表述，并了解用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成的原因．　3.[科学态度与责任]了解熵的概念及熵增加原理，并能解释生活中的有关现象．
一、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．(说明热传递的方向性)
(2)第二种表述(开尔文表述)
不可能从单一热源吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化．(说明功热转化的方向性)
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引起其他影响的机器．
②第二类永动机不可能制成
第二类永动机虽然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．
二、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．热传递这个不可逆过程使无序程度增加了．
(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，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，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．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)第一类永动机违背了能量守恒定律． (√)
(2)机械能可以转化为内能，内能不可以转化为功． (×)
(3)在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体． (√)
(4)熵是系统内分子运动无序性的量度． (√)
(5)在自然过程中熵总是增加的． (√)
(6)熵值越大代表越有序． (×)
热力学第二定律的理解
(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？
(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：(1) “自发地”是指没有受到任何外界影响或者干扰．
(2)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．
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．
【例1】　(多选)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产生其他影响
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
BC　[热运动的宏观过程都有一定的方向性，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；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，不可能从单一热源吸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．]
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．
[跟进训练]
1．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．机械能全部转化为内能是不可能的
B．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
C．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
D．从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的
CD　[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D正确．]
熵
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．
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．
【例2】　(多选)对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法正确的是(　　)
A．系统的总熵只能增大，不可能减小
B．系统逐渐从比较有序的状态向无序的状态发展
C．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
D．在自然的可逆过程中，孤立系统的总熵不变
ABD　[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；对于可逆的自然过程，总熵不变，D正确；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B正确，C错误．]
关于熵的四点注意
(1)熵的微观意义：熵是系统内分子运动无序性的量度．
(2)熵不是守恒的量，孤立体系经过一个不可逆过程，熵总是增加的．
(3)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．
(4)一个孤立系统在自然可逆过程中，总熵不变．
[跟进训练]
2．(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
ACD　[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．]
1．(多选)关于有序和无序，下列说法正确的是(　　)
A．有序和无序是绝对的
B．一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”
C．一个“宏观态”只能对应着唯一的“微观态”
D．无序意味着各处一样、平均、没有差别
BD　[因为无序是各处都一样、平均、没有差别，故D项正确；而有序和无序是相对的，故A项错；一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”，B项正确，C项错误．]
2．(多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　)
A．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性
B．“第二类永动机”不可能制成因为它违反了能量守恒定律
C．自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的
D．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的
CD　[空调制热和制冷都会消耗电能，不是自发进行的，选项A错误；“第二类永动机”不可能制成是因为它违反了热力学第二定律，不违反能量守恒定律，选项B错误；根据熵增加原理，自然发生热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，选项C正确；根据热力学第二定律，自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，选项D正确．]
3．(多选)关于气体向真空扩散的规律，正确的是(　　)
A．气体分子数越少，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，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
ACD　[气体分子向真空中扩散时，分子数越少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大，分子数越多，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小，A正确，B错误；扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观态最多，并且这一宏观态的无序性最强，C、D正确．]
4．(多选)从微观角度看(　　)
A．热力学第二定律是一个统计规律
B．一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展
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
ACD　[由熵增加原理“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”可知B错误，A、C、D正确．]
5．关于热现象和热学规律，下列说法正确的是(　　)
A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%
B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的
C．第二类永动机遵从能量守恒定律，故能做成
D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105 J，同时空气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了0.5×105 J
D　[由热力学第二定律知，B、C错误；绝对零度不可能达到，A错误；由热力学第一定律知D正确．]
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