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——无序程度的量度学案鲁科版.docx

第3节热力学第二定律 第4节熵无序程度的量度1.热力学第二定律的两种不同表述以及对两种表述的理解(重点)2.对熵和熵增加原理的理解(难点)一、自然过程的方向性1可逆过程和不可逆过程(1)可逆过程：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，则原来的过程为不可逆过程2热传导的方向性：温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，但不会自发地从低温物体传给高温物体这说明：热传导具有方向性3功转变为热的方向性在焦耳的叶轮搅水实验中，重物下落使水温上升，是机械能转化为内能的过程；与此相反过程，即水温自动降低，产生水流，推动叶片转动，带动重物上升的过程是不可能发生的，尽管它不违背热力学第一定律这说明：功转变为热具有方向性4热转变为功的方向性(1)热机：消耗内能对外做功的装置(2)原理：热机必须工作在两个温度不同的热源之间，通过工作物质，将从高温热源吸收的热量，一部分用来对外做功，另一部分完全损耗掉，损耗的热量不可能再自动地收集起来这说明：热转变为功具有方向性5结论：凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性二、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，使之完全变为有用功，而不引起其他变化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1(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的()(2)热量不会自发从高温物体传给低温物体()(3)由冰箱能自发地把热量从低温物体传给高温物体()提示：(1)(2)(3)3第二类永动机(1)定义：从单一热源吸收热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器(2)第二类永动机不可能制成：第二类永动机并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种表述：第二类永动机是不可能制成的2(1)可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功()(2)第二类永动机违背了能量守恒定律()(3)第二类永动机违背了热力学第二定律()提示：(1)(2)(3)三、有序和无序1热传导这个过程使无序程度增加2机械能转变为内能的过程是大量分子的有序运动向无序运动的转化过程3热力学第二定律的微观本质：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4定义：用来量度系统无序程度的物理量叫做熵5熵增加原理：在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行，这就是熵增加原理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(1)熵值越大代表着越有序()(2)一个宏观态所对应的微观态数目越多，则熵越大()(3)孤立系统的总熵可能增大，也可能减小()提示：(1)(2)(3)热力学第二定律的理解1克劳修斯表述“不可能使热量由低温物体传向高温物体而不引起其他变化”这句话包含以下三层意思：(1)热量会自发地从高温物体传给低温物体，在传递过程中不会对其他物体产生影响；(2)如果有其他作用，热量有可能由低温物体传递到高温物体；(3)如果没有其他作用，热量就不可能由低温物体传递到高温物体2开尔文表述“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化”这句话包含以下三层意思：(1)从单一热源吸收热量，一般来说只有部分转化为机械能，所以第二类永动机是不可能制成的；(2)机械能转化为内能是自然的，可以全部转化；(3)如果引起其他变化，可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功“不能自发发生”不是不能发生，只是说明这种事件的发生是需要条件的(多选)关于热传导的方向性，下列说法正确的是()A热量能自发地由高温物体传给低温物体B热量能自发地由低温物体传给高温物体C在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体D热量不可能从低温物体传给高温物体思路点拨热传导具有方向性，即自然过程具有方向性虽然热量不能自发地从低温物体传向高温物体，但是有外界的影响和帮助，如在外力做功的情况下就可以实现热量从低温物体传向高温物体电冰箱就是一例 解析在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，而热量只能自发地从高温物体传给低温物体答案AC1.(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AC.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.热力学第一、第二定律的关系及应用1热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系UWQ，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性，告诫人们：第一类永动机不可能制成热力学第一定律只有一种表述形式2热力学第二定律揭示了涉及热现象的宏观过程的方向性如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种物理过程及其运动形式的转化过程都具有方向性，告诫人们：第二类永动机不可能制成热力学第二定律有多种表述形式3两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响所以二者相互独立，又相互补充4第一类永动机违背了能的转化与守恒定律第二类永动机虽然不违背能的转化和守恒定律，但因为机械能和内能的转化过程是具有方向性的，热机工作时从高温热源吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温热源，也就是说，热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做机械功的热量仅是它从高温热源吸收热量的一部分，绝不会是全部所以第二类永动机是不可能制成的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”另外，还要正确区分热力学第一定律和热力学第二定律下列说法正确的是()A对物体做功不可能使物体的温度升高B在绝热条件下压缩气体，气体的内能一定增加C空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作是不遵守热力学第二定律的D从单一热源吸收热量使之全部变成有用的机械功是不可能的解析对物体做功可使物体的内能增加，温度升高，如用打气筒打气时筒壁变热，A错误；由于是在绝热条件下，气体的内能一定增加，B正确；在一定条件下，热量可以由低温物体传到高温物体，但引起了外界变化，C错误；从单一热源吸热，并使之全部变成有用功也是可能的，只是会引起其他变化，D错误答案B2.(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是()A为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D任何条件下都不可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功解析：选AC.根据热力学第一定律A对，B错；根据热力学第二定律，若有外界的影响，则可实现从单一热源吸热使之完全变为功以及使热量从低温物体传到高温物体，C对，D错对熵和熵增加原理的理解1熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样，系统越混乱无序程度越大，这个系统的熵就越大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3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4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，则熵增加熵增加原理的适用对象是孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少质量相同、温度相同的水，如图所示分别处于气态、液态和固态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？思路点拨本题考查物体三种状态的无序程度，三种状态中气态无序程度最大，熵最大 解析根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又有一种表述：由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少，这也就是说，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少质量相同、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小答案见解析3.(多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法中正确的是()A大量分子无规则的热运动能够自发转变为有序运动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：选CD.热传递的过程中热量从温度高的物体向温度低的物体传递，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，而不是从有序运动向无序运动状态的转化；大量分子的运动不可能从无序运动自动转为有序运动；自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行A、B错误，C、D正确自然过程的方向性是热力学第二定律的本质随堂检测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rr0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UWQ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()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 KB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，UWQ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C气体分子势能增加，压强可能不变DQ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 ，4050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