学沪科版选修33 4.4描述无序程度的物理量 课件（2）（41张）.ppt

导入新课 前面我们已经学习了热力学第二定律 下面让我们来复习一下 热力学第二定律的发展史 克劳修斯 1822 1888 曾任德国柏林皇家工学校物理教授 1850年 克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理 指出 一个自动运作的机器 不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化 这就是热力学第二定律 1851年 开尔文又提出 不可能从单一热源取热 使之完全变为有用功而不产生其他影响 或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低 从而获得机械功 这就是热力学第二定律的 开尔文表述 奥斯特瓦尔德则表述为 第二类永动机不可能制造成功 开尔文 1824 1907 毕业于剑桥大学聘为格拉斯哥大学自然哲学教授长达50年 曾任法国科学院院士 英国皇家学会会长 那么热力学第二定律到底是描述什么物理现象的呢 下面让我们来认识一下它 热力学第二定律 热力学第二定律常见的两种表述 1 按热传递的方向性来表述 不可能使热量从低温物体传到高温物体 而不引起其他变化 克劳修斯表述 2 按机械能与内能转化过程的方向性来表述 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 开尔文表述 1 两种表述是等价的可以从一种表述导出另一种表述 两种表述都称为热力学第二定律 2 热力学第二定律使人们认识到 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 它揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性 是成为独立于热力学第一定律的一个重要的自然规律 4 描述无序程度的物理量 1 知识与能力 知道在涉及热现象的宏观过程中的能量耗散与退化现象 了解熵以及熵增加原理的物理意义 2 过程与方法 能用热力学第二定律和熵增加原理解释现象 了解热力学温度的规定 教学目标 3 情感态度与价值观 能用熵增加原理解释身边一些简单的现象 培养热爱生活的情趣 热爱生活 研究生活 熵及熵增加原理的物理意义 利用熵增加原理解释一些简单的物理现象 教学重难点 重点 难点 2 绝对零度不可能达到 1 能量的耗散与退化 3 熵增加原理 本节导航 4 有序向无序的转化 1 能量的耗散与退化 自然界中的种种变化 能量的总值虽然不变 但是能量可被利用的价值却是越来越小 即能量的品质在逐渐降级 开尔文 1824 1907 毕业于剑桥大学聘为格拉斯哥大学自然哲学教授长达50年 曾任法国科学院院士 英国皇家学会会长 对于我们来说 内能不如机械能 电能好用 只能部分用于做功 总有一部分内能散发到低温环境中 因此 内能是一种低品质的能 当其他能量转化为内能时 能量的品质就降低了 燃料 热机 机械功 利用价值高的能量 利用价值低的能量 能量的品质 退化 当我们使用地球上的能源时 并不会减少地球上的能量 而是将能量中高度有用的能量形式降低为不大可用的能量形式 1 能量耗散 流散的内能无法重新收集起来加以利用的现象叫做能量耗散 2 能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 2 绝对零度不可能达到 宇宙中存在着温度的下限 273 15 以这个下限为起点的温度叫做绝对温度 用t表示 单位是开尔文 符号是k 绝对温度t和摄氏温度t之间的换算关系是t t 273 15k对大量事实分析表明 热力学零度不可达到 这个结论称为热力学第三定律 尽管热力学零度不可能达到 但是只要温度不是绝对零度就有可能降低 因此 热力学第三定律不阻止人们想办法尽可能地接近绝对零度 3 熵增加原理 我们知道 热力学第二定律有许多表述形式 因此我们也可以将它表述为任何孤立的系统 它的总熵永远不会减少 即自然界的一切自发过程 总是朝着熵增加的方向进行的 这个就是熵增加原理 熵增加原理 孤立系统 与外界没有物质交换 热交换 与外界也没有力的相互作用 电磁作用的系统 即强调了自发性 熵 表示孤立系统内能量的耗散和退化程度 一个系统的熵越大 就越接近平衡状态 就越不已转化 可爱的熵物理学中有个熵定律 也就是著名的热力学第二定律 熵 的名称是由德国物理学家道尔夫 克劳修斯于1868年造出来的 它代表着宇宙中不能再被转化做功的能量的总和的测定单位 即熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序 是无效能量的总和 熵本身既不是好事 也不是坏事 它意味着腐败和混乱 但它同时也意味着生命本身的展开 不论是有机的 还是无机的生命 卡农 乔治 梅特勒的大爆炸学说也认为 宇宙是以有序的状态开始 不断地向无序状态发展 它与热力学第二定律是相符的 热力学第一定律说明能量是守恒的 不灭的 只能从一种形式转变到另一种形式 热力学第二定律 熵定律 却表明 能量不可逆转地沿着一个方向转化 即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态 有效能量告罄时 是 热寂 死寂的热平衡状态 有效物质耗尽时 是一片 物质混乱 整个宇宙的大混乱和大混沌 古罗马诗人贺拉斯说 时间磨灭了世界的价值 可谓一语道破了熵定律的真谛 物理学家们认为 熵定律是物质世界的最终定律 人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一 第二定律的严密制约 但是 他们又认为熵定律只涉及物质世界 只控制时空的横向世界 人类的精神世界并不受熵定律的专制统治 所以 生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流 人类精神的无限发展 是不可抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟 4 有序向无序的转化 有序向无序的转化 热传递 温度的 不均匀 均匀 气体膨胀 气体分子密集程度的 不均匀 均匀 不均匀 有序 均匀 无序 系统自发的过程总是从有序到无序的 熵是表征系统的无序程度的物理量 熵越大 系统的无序程度越高 1 能量的消耗与退化将能量中高度有用的能量形式降低为不大可用的能量形式2 绝对零度不能达到热力学第三定律 绝对零度不能达到3 熵增加原理一个系统的熵越大 就越接近平衡状态 就越不已转化4 有序向无序的转化系统自发的过程总是从有序到无序的 课堂小结 1 其他形式的能转化为内能是 课堂练习 能量品质降低 2 当我们使用地球上的能源时 并不会减少地球上的能量 而是将能量中降低为 高度有用的能量形式 不大可用的能量形式 3 绝对零度指的是 实验室能否达到这个温度 273 15 不能 4 下列关于热力学第三定律的表述正确的是 a 热力学零度不可达到b 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c 其数学表达式是 u q wd 能量在转化或转移的过程中总量保持不变 b表述的是热力学第二定律 c表述的是热力学第一定律 d表述的是能量守恒定律 a 5 能量耗散是从 角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 热现象 6 热力学第二定律使人们认识到 自然界中进行的涉及 现象的宏观过程都具有 性 例如机械能可以 转化为内能 但内能 全部转化为机械能 而不引起其他变化 热 方向 全部 不能 7 冬季利用热泵从大气中抽取热量用以维持15 的室温 当室内温度与大气温度相差1 时 通过墙壁与大气交换的热流量约0 65w k 求 1 如果大气温度为一15 驱动热泵所需的最小功率是多少 2 夏季 将同一台热泵用于室内空调 热泵输入功率及温差为1 时通过墙壁与大气交换的热量同上 如要维持室温15 问最大允许的大气温度是多少度 解 1 热泵供给室内的热流量 供暖系数 所需最小功率 2 从室内吸热率 可逆制冷机的制冷系数 习题解答 1 解 地球上出现的最高气温是58摄氏度 最低气温是 88摄氏度 最高气温和最低气温相差146摄氏度 2 解 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 而熵是描述系统无序程度的物理量 熵越大 无序程度就越大 所以 熵的增加就意味着系统无需程度的增加 这意味着 自然界的一切自发过程 总是朝着从有序向无需的方向转化 例如 燃料的燃烧 气体的扩散 一切生命体的产生到消亡 都经历了一个从有序到无序的过程 3 解 在热传递过程中 热量总是从高温物体自发的流向低温物体 直到两物体的温度相同 初始状态 进行热传递的两个物体所组成的系统温度不同 这个是比较不均匀的状态 也即比较有序的状态 终了状态 系统的温度相同 这个是比较均匀的状态 也即比较无序的状态 所以 热传递使系统从比较有序的状态向比较无序的状态转化 这个过程是自发进行的 而自发进行的过程 总是朝着熵增加的方向进行 也就是朝着无序化