高中物理第十章热力学定律4热力学第二定律5热力学第二定律的微观解释互动课堂学案新人教选修.docx

4热力学第二定律5热力学第二定律的微观解释互动课堂疏导引导1.热传导的方向性 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.这个过程是自发地进行的，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向高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能. 其实，自然界中很多宏观的自发地过程都具有单向性，是不可逆的，如：水往低处流，事物由新变旧，人的生老病死等.2.第二类永动机 历史上也曾有不少人设想制造一种热机，用它把物体与地面摩擦所生成的热量都吸收过来，并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上运动起来，而不引起其他变化，这种机械称为第二类永动机.第二类永动机不违反能量守恒定律，但要注意：尽管机械能可以全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能，而不引起其他变化.比如，内燃机汽缸中的气体吸收燃料燃烧时产生的热量Q1，推动活塞做功W，但排去的废气同时把一部分热量Q2散发到大气中，由能量守恒定律知道Q1=W+Q2，所以气体燃烧产生的热量并没有全部转化为机械能，热机的效率不可能达到100%，所以第二类永动机不可能制成，这表明机械能和内能的转化过程具有方向性.3.热力学第二定律的两种表述（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.（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. 表述（1）是按照热传导的方向性来表述的；表述（2）是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的. 上述两种表述看似毫无联系，其实是等价的，即如果一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如果一个说法是错误的，另一个说法必然也不成立，下面给以证明：图10-4-1 设表述（1）不成立.如图10-4-1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，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）.4.怎样理解热力学第二定律的微观意义？ 系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化.从微观看，在功转化为热的过程中，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，但其逆过程却不能自发地进行，即不可能由大量分子无规则的热运动自发转变为有序运动. 从微观看，热传递的过程中，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，其逆过程不能自发进行. 大量分子无序运动状态变化的方向总是向无序性增大的方向进行，即一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义.5.熵（1）物理学中用字母表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，为了研究的方便，玻尔兹曼在1877年提出一个与微观态的数目相关的物理量S，S=Kln(K为玻尔兹曼常数）.这个S就是今天常常听到的“熵”，用熵值的高低反映系统的无序程度.(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不会减少，这就是用熵的概念表示的热力学第二定律.为此，不少人把热力学第二定律叫做熵增加原理.（3）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.活学巧用1.下列说法正确的是（ ）A.热量能自发地从高温物体传给低温物体 B.热量不能从低温物体传到高温物体C.热传导是有方向性的 D.气体向真空中膨胀的过程是有方向性的解析：如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，选项A对，B错，C对；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性的，选项D对.答案：ACD2.第二类永动机不可能制成，是因为（ ）A.违背了能量守恒定律 B.热量总是从高温物体传递到低温物体C.机械能不能全部转化为内能 D.内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化解析：第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但却违背了涉及热现象的能量转化过程具有方向性的规律，选项A错.在引起其他变化的情况下，热量也可由低温物体非自发地传递到高温物体，选项B错.机械能可以全部转化为内能，如物体克服摩擦力做功的过程，选项C错.但在不引起其他变化的情况下，内能却不能全部转化成机械能，选项D对.答案：D3.(2004天津高考)下列说法正确的是（ ）A.热量不能由低温物体传递到高温物体B.外界对物体做功，物体的内能必定增加C.第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律D.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化解析：根据热力学第二定律，热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，但在一定条件下，热量可以由低温物体传向高温物体，例如电冰箱的工作过程，故选项A错.根据热力学第一定律，物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素，所以选项B错.第二类永动机不违反能量守恒定律，而违反了热力学第二定律，选项C错.选项D是热力学第二定律的表述形式之一，是正确的.答案：D4.用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图10-4-2所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象，这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况.图10-4-2解析：温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，不违反热力学第二定律.答案：不违反.热水温度降低，冷水温度升高.转化效率低于100%.5.关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是（ ）A.大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动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，其传递过程不能自发进行，故选项C、D正确.答案：CD6.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.解析：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