2019-2020学年高中物理 第5章 热力学定律 第3节 热力学第二定律 第4节 熵——无序程度的量度随堂演练巩固提升 鲁科版选修3-3

1 第第 3 3 节节 热力学第二定律热力学第二定律 第第 4 4 节节 熵熵 无序程度的量度无序程度的量度 随堂检测 1 关于热力学定律和分子动理论 下列说法正确的是 a 一定量气体吸收热量 其内能一定增大 b 若两分子间距离减小 分子间引力和斥力都减小 c 若两分子间距离增大 分子势能一定增大 d 若两分子间距离减小 分子间引力和斥力都增大 解析 选 d 根据热力学第一定律 a 错 当r r0时 两分子间作用力表现为斥力 距 离增大 分子力做正功 分子势能减小 c 错 由分子力的特点知 b 错 d 对 2 多选 关于一定量的气体 下列叙述正确的是 a 气体吸收的热量可以完全转化为功 b 气体体积增大时 其内能一定减少 c 气体从外界吸收热量 其内能可能增加 d 外界对气体做功 气体内能可能减少 解析 选 acd 由热力学第二定律知 热量可以完全转化为功 但要引起其他变化 a 选项对 由热力学第一定律 u w q知 改变物体内能的两种方式是做功和热传递 b 项只说明气体对外做功 没有考虑热传递 故 b 选项错 c d 选项对 3 多选 下列说法正确的是 a 热传递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 热传递的过程是有方向性 的 热量可以从高温物体自发地传给低温物体 却不能由低温物体自发地传给高温物体 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且全部用来做有 用功而不引起其他任何变化 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 错误 2 4 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 ab 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 使可利用能量越来越少 故 c d 正确 5 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 高熵向低熵的转化 不符合熵增加原理 因此内能不可能全部转化为机械能而不引起其他 变化 答案 见解析 课时作业 一 单项选择题 1 下列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 熵值越大表示系统越无序 解析 选 c 根据熵的定义知 a 正确 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 b 正确 热力学第二定律也叫熵增加原理 c 错误 熵越大 系统越混乱 无序程度越大 d 正确 故选 c 2 关于永动机和热力学定律的讨论 下列叙述正确的是 3 a 第二类永动机违背能量守恒定律 b 物体对外界做功 其内能一定减少 c 外界对物体做功 则物体的内能一定增加 d 做功和热传递都可以改变物体的内能 但从能量转化或转移的观点来看这两种改变 方式是有区别的 解析 选 d 第二类永动机是指从单一热源吸收热量全部用来做功的机器 它并不违背 能量守恒定律 内能的改变要看做功和热传递 只知热传递情况或者做功情况 都无法判 断物体内能的变化 做功和热传递都可以改变物体的内能 但改变方式是不同的 做功是 能量的转化 而热传递是能量的转移 3 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 a 都具有方向性 b 只有部分具有方向性 c 没有方向性 d 无法确定 解析 选 a 自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性 例如 热传导 气体自由 膨胀等 4 关于热力学定律 下列说法正确的是 a 在一定条件下物体的温度可以降到 0 k b 物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 c 放出了热量的物体 其内能一定减小 d 压缩气体总能使气体的温度升高 解析 选 b 热力学零度 即我们所说的 273 15 这个温度只能无限接近而不能 达到 a 错误 由热力学第二定律知 物体不可能从单一热源吸收热量全部用来做功而不 引起其他变化 换句话说 在引起其他变化的情况下 物体可以从单一热源吸收热量全部 用来做功 所以 b 正确 根据热力学第一定律 u w q知 改变物体内能的方式是做 功和热传递 所以物体放出了热量其内能不一定减小或对物体做功其内能不一定增加 故 c d 错误 5 如图所示 两个相通的容器p q间装有阀门k p中充满气体 q内为真空 整个系统与外界没有热交换 打开阀门k后 p中的气 体进入q中 最终达到平衡 则 a 气体体积膨胀 内能增加 b 气体分子势能减小 内能增加 4 c 气体分子势能增加 压强可能不变 d q中气体不可能自发地全部退回到p中 解析 选 d 气体自由膨胀 不做功 又因为绝热 由热力学第一定律可知内能不变 a b 错 气体体积膨胀 压强减小 c 错 由热力学第二定律可知 d 对 6 图中汽缸内盛有定量的理想气体 汽缸壁是导热的 缸外环境保持 恒温 活塞与汽缸壁的接触是光滑的 但不漏气 现将活塞杆缓慢向右移 动 这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功 若已知理想气体的内能只与 温度有关 则下列说法正确的是 a 气体是从单一热源吸热 全部用来对外做功 此过程违反热力学第二定律 b 气体是从单一热源吸热 但并未全部用来对外做功 此过程不违反热力学第二定律 c 气体是从单一热源吸热 全部用来对外做功 此过程不违反热力学第二定律 d 以上三种说法都不对 解析 选 c 由于气体始终通过汽缸与外界接触 外界温度不变 活塞杆与外界连接并 使其缓慢地向右移动的过程中 有足够时间进行热交换 所以汽缸内的气体温度也不变 要保持其内能不变 该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量 即全部用来对外做功 才能保证内能不变 但此过程不违反热力学第二定律 此过程由外力对活塞做功来维持 如果没有外力f对活塞做功 此过程不可能发生 二 多项选择题 7 下列说法中正确的是 a 系统经可逆绝热过程后熵不变 b 系统经可逆绝热过程后熵减少 c 系统经不可逆绝热过程后熵增加 d 系统经不可逆绝热过程后熵减少 解析 选 ac 由熵增加原理 一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行 故 c 正确 d 错误 系统经可逆绝热过程后 分子热运动的无序程度不变 熵不变 故 a 正确 b 错 误 8 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 5 d 在传热中 热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体 解析 选 acd 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 9 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 bc 热量不可以自发地从冰箱内传到冰箱外 a 错误 冰箱是通过压缩机消耗 了电能而实现制冷的 b 正确 电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 总能量是守恒 的 c 正确 d 错误 10 古诗词中说 高处不胜寒 大气的温度随高度递减 通常每升高 100 米 气温 降低 1 海水正好相反 深度越大水温越低 我国北方海域 夏季表层海水温度可达 30 40 50 米深处 水温便降到 10 以下 温差达 20 东海黑潮流经的海面 表层水 温常年保持在 25 左右 而 800 米深处 水温则常年低于 5 温差也有 20 海洋表 层水温与稍深处水温的明显差别蕴含着巨大的热能 利用海水的温差可以把热能转换成电 能供人利用 温差发电的基本原理就是借助一种工作介质 使表层海水中的热能向深层冷 水中转移 从而做功发电 例如使用低沸点的二氧化硫 氨或氟利昂做介质 在表层温水 热力作用下汽化 沸腾 吹动发电机发电 再利用深层冷水把工作介质凝结成液态 如此 循环不息 保持发电机运行 关于温差发电的下列说法正确的是 a 不违反能量守恒定律 b 不违反热力学第二定律 6 c 经过科学家和工程师们的努力 温差发电的效率将会达到 100 d 温差发电是没有污染的 解析 选 abd 温差发电利用了温水汽化后在冷水中凝结的过程 推动了发电机运行 并不违反能量守恒定律和热力学第二定律 a b 项正确 温差发电的过程 必然会存在能 量的耗散 因而效率不可能达到 100 c 项错误 温差发电是一种洁净的发电方式 受到 各国普遍重视 我国的温差发电目前正处于研究试验阶段 d 项正确 三 非选择题 11 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 解析 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 占据的空间体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