3.3-热力学第二定律　3.4熵——系统无序程度的量度（49张PPT）

第3节　热力学第二定律
第4节　熵——系统无序程度的量度
一、自然过程的方向性
思考
问题:瀑布中的水能否自发地由低处流向高处?瀑布中水的流动是可逆的吗?
提示:不能,该过程不可逆。
1.可逆过程和不可逆过程:
(1)可逆过程:能使系统和外界_________,即系统回到原来的状态,同时消除原来
过程对外界的_________,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和外界_________,则原来的过程
称为不可逆过程。
完全复原
一切影响
完全复原
2.热传递的方向性:
热量可以_______由高温物体传给低温物体,而不能_______由低温物体传给高温
物体。
3.功转化为热的方向性:
机械能全部转化为内能的过程是能自发进行的,内能全部转化为机械能的过程,
是不能自发进行的。
4.结论:凡是与热现象有关的宏观过程都具有_______。
自发地
自发地
方向性
二、热力学第二定律的表述
思考
问题1:冰箱内能否自发地放出热量而降低自身的温度?
提示:不能。
问题2:如图是冰箱制冷的工作原理,冰箱制冷是否违背了热力学第二定律?
提示:不违背。
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_____
___________。(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,使之完全用来做功而
_______________。(说明功热转化的方向性)
3.第三种表述:第二类永动机是_______实现的。
(1)定义:从单一热源吸取热量并使之_____转化为功而不产生其他变化的机器。
(2)第二类永动机不可能制成:第二类永动机虽并不违背热力学_________,但违
背了热力学_________。
不引
起其他变化
不引起其他变化
不可能
完全
第一定律
第二定律
三、熵:无序程度的量度
思考
问题:两幅图片中,哪一幅图片的熵值大一些?熵值的大小代表了什么?
提示:左边的图片熵值更大一些,熵值代表了无序程度,无序程度越大,熵值越大。
1.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_____的方向进行。
2.熵的定义:用来量度系统的_________的物理量。
3.熵增加原理:在孤立系统中的宏观过程必然朝着_______的方向进行。孤立系
统是指与外界既没有_____交换也没有_____交换的系统。
4.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,能量的品质_______,这种现象称为能量退降。
增大
无序程度
熵增加
物质
能量
退化了
一　热力学第二定律的表述
1.对两种表述的理解
(1)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。
(2)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。
2.两种永动机的区别
(1)第一类永动机违背了热力学第一定律,违背了能量守恒定律。
(2)第二类永动机没有违背能量守恒定律,但是违背了热力学第二定律。
【思考?讨论】
“水往上流”是台湾的一个景点,潺潺水流顺着水沟由低处蜿蜒往高处流去,令人啧啧称奇。这是为什么?水真的可以自发地向高处流去吗?违背了什么定律?
提示:不可以,违背了热力学第二定律。“水往上流”其实是因为这里两旁的景物倾斜度大于路面,故而造成水往上流的错觉。
【典例示范】
(多选)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.从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的
C.第二类永动机不可能制造成功的原因是能量既不会消失,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
【解析】选B、D。机械能可以全部转化为内能,故A错误;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,而不是违背了能量守恒定律,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。
【规律方法】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。
【素养训练】
1.(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】选B、C。热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律,是能量守恒定律的具体表现,适用于所有的热现象,故C正确、D错误;根据热力学第二定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,必须借助于其他系统做功,A错误、B正确。故选B、C。
2.(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】选A、C。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。
【补偿训练】
1.下列宏观过程能用热力学第二定律解释,下列说法错误的是 (　　)
A.大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开
B.将一滴红墨水滴入一杯清水中,会均匀扩散到整杯水中,经过一段时间,墨水和清水不会自动分开
C.冬季的夜晚,放在室外的物体随气温的降低,不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D.随着节能减排措施的不断完善,最终也不会使汽车热机的效率达到100%
【解析】选A。热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律,A不属于热现象,A错;由热力学第二定律可知B、C、D正确。
2.关于热机下列说法正确的是 (　　)
A.热机是把机械能转化为内能的装置
B.在不漏气,没有摩擦且没有任何能量损耗的条件下,热机效率能达到100%
C.热机工作时需要两个热源,通过工作物质从高温热源吸收热量,一部分用来对外做功,一部分热量传给了低温热源
D.历史上人们想制造一种热机,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,是可能制成的
【解析】选C。热机是把内能转化为机械能的装置,A项错;在转化过程中,一部分热量传给了低温热源,故效率不会达到100%,B错C对;从单一热源吸热并完全转化为功而不产生影响是不可能制成的,D项错。
二　熵和熵增加原理的分析
对熵的理解:
(1)由熵的定义可知,熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态,也就是出现概率较大的宏观状态。在自然过程中熵总是增加的,其原因并非因为有序是不可能的,而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多。把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多。
(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,而熵值较大代表着较为无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。如果过程可逆,则熵不变;如果过程不可逆,则熵增加。
【思考?讨论】
交通与工业废气及噪声对环境的污染;工业和生活垃圾、废水对环境的污染;交通拥挤和堵塞造成的道路混乱。
以上现象中的熵是怎么变化的?
提示:熵增加。
【典例示范】
(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.熵值越大,表明系统内分子运动越无序
D.能量耗散说明能量在不断减少
【解析】选A、C。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、C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;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D错误。
【规律方法】熵的几点注意事项
(1)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。
(2)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。
(3)熵改变的过程中,能量必然是守恒的。
(4)一个孤立系统的自然可逆过程中,总熵不变。
【素养训练】
1.(多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气,这说明了 (　　)
A.热量能自发地从低温物体传给高温物体
B.在一定条件下,热量可以从低温物体传给高温物体
C.热量的传导过程不具有方向性
D.在自发的条件下热量的传导过程具有方向性
【解析】选B、D。一切自发过程都有方向性,如热传导,热量总是由高温物体自发地传向低温物体;又如扩散,气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散,热量可以从低温物体传向高温物体,电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体——冷冻食品传向高温物体——外界的大气。所以在回答热力学过程的方向性问题时,要区分是自发过程还是非自发过程,电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的,故B、D正确,A、C错误。
2.(多选)下列说法中不正确的是 (　　)
A.在任何自然过程中,一切参与者的总能量和总熵保持不变
B.熵无处不在,是系统有序程度的量度
C.一切不可逆过程在熵增加的同时,总是伴随着能量退降
D.由热力学第二定律可知,自然界的能量品质正在退化,可利用的能量越来越少
【解析】选A、B。在任何自然过程中由能量守恒可知,一切参与者的总能量保持不变,由熵增加原理知熵增加,故A错误;热力学系统的每一个过程,都有一个熵值,它是用来量度系统无序程度的物理量,故B错误;熵增加的同时,一切不可逆过程总是使能量逐渐丧失做功的本领,从可用状态转化为不可用状态,使可利用的能量越来越少,故C、D正确。
【补偿训练】
下列说法正确的是 (　　)
A.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
B.一切自然过程总是沿着分子热运动的有序性增大的方向进行
C.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵一定不会增大
D.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵可能减小
【解析】选A。功转变为热是机械能转化为内能的过程,从微观的角度看,在机械运动中,分子主要沿同一方向运动;而在热运动中,分子无规则地向各个方向运动,机械能转变为内能的过程是大量分子从有序运动向无序运动转化的过程,热传导的过程也是使无序程度增大的过程。总之,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。这是热力学第二定律的微观本质,选项A正确,B错误。因为不可逆过程总是沿着无序程度增大的方向进行,而熵是无序程度大小的量度,所以在孤立系统中,一切不可逆过程总是沿着熵增加的方向进行,这就是熵增加原理,选项C、D错误。
【拓展例题】考查内容:对热力学定律的考查
【典例】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
【解析】选B。热力学第一定律和热力学第二定律并不矛盾,对于机械能和内能的转化所具有的方向性也是存在的,故B正确,A、C、D错误。
【课堂回眸】
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,在不产生其他影响的情况下,内能无法全部用来做功而转化成机械能
D.气体向真空的自由膨胀是可逆的
【解析】选B、C。符合能量守恒定律,但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生,选项A错误;一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,选项B正确;机械能可以全部转化为内能,在不产生其他影响的情况下,内能无法全部用来做功而转化成机械能,选项C正确;气体向真空的自由膨胀是不可逆的,选项D错误。
2.(多选)(2019·福州高二检测)根据热力学第二定律,下列判断正确的是 (　　)
A.电流的能不可能全部变为内能
B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部变为电能
C.热机中,燃气内能不可能全部变为机械能
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
【解析】选B、C、D。根据热力学第二定律可知,凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,电流的能可全部变为内能(由焦耳定律可知),而内能不可能全部变成电流的能,而不产生其他影响。机械能可全部变为内能,而内能不可能全部变成机械能。在热传导中,热量只能自发地从高温物体传递给低温物体,而不能自发地从低温物体传递给高温物体。
3.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】选A。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,故A正确,B、C、D错误。
4.一绝热容器被隔板分成两半,一半是真空,另一半是理想气体,若把隔板抽出气体将进行自由膨胀,达到平衡后,则 (　　)
A.温度不变,熵增加　　B.温度升高,熵增加
C.温度降低,熵增加 D.温度不变,熵不变
【解析】选A。该过程是在真空中自由膨胀,不用克服外力做功,即不对外做功,此时W=0,又是绝热过程Q=0,由热力学第一定律ΔU=Q+W可知,ΔU=0,即气体内能不变,所以温度不变。由热力学第二定律可知,自发的宏观过程总是向着熵增大的方向发展,所以熵增加。
5.(2020·全国Ⅱ卷)下列关于能量转换过程的叙述,违背热力学第一定律的有
　　　　,不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有　　　　。(填正确答案标号)?
A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B.冷水倒入保温杯后,冷水和杯子的温度都变得更低
C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功,而不产生其他影响
D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
【解析】汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热,不违背热力学第一定律,也不违背热力学第二定律,A项不符合;冷水倒入保温杯后,冷水和杯子的温度都变得更低,需要对外做功或对外放出热量,而保温杯隔断了传热过程,水也没有对外做功,所以该过程违背热力学第一定律;某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功,而不产生其他影响,该过程不违背热力学第一定律,但违背热力学第二定律;冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内,要消耗电能,引起了其他变化,该过程不违背热力学第一定律,也不违背热力学第二定律,D项不符合。
答案:B　C
【新思维·新考向】
情境:目前我国正大力推进垃圾分类,如图所示是济南市某社区的垃圾智能分类亭,其通过智能化、便利化的手段,用直接返现的方式,吸引居民积极参与生活垃圾分类。
问题:
(1)将垃圾进行分类,垃圾的熵值如何变化?
(2)从熵与能量的角度来看,垃圾分类有什么意义?
提示:(1)垃圾经过分类后变得有序了,熵值减小。
(2)自然界的熵值不断增加,意味着能量的品质正在退化,垃圾分类能使熵值减小,通过垃圾的再次利用就能减缓能量的退化速度。