高中物理第10章第4、5节热力学第二定律热力学第二定律的微观解释课件新人教版选修3-3

1、物理物理路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索人教版人教版 选修选修3-3 热力学定律热力学定律第十章第十章第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律第五节热力学第二定律的微观解第五节热力学第二定律的微观解释释第十章第十章学习目标定位学习目标定位1课堂情景切入课堂情景切入2知识自主梳理知识自主梳理3重点难点突破重点难点突破4考点题型设计考点题型设计5课课 时时 作作 业业7易错案例剖析易错案例剖析6学习目标定位学习目标定位了解热力学第二定律的多种表述了解热力学第二定律的多种表述知道热传导及宏观过程的方向性知道热传导及宏观过程的方向性了解热力学第二学定律的微观解释了解热力学第二

2、学定律的微观解释知道熵及熵增加原理知道熵及熵增加原理课堂情景切入课堂情景切入覆水难收覆水难收君不见黄河之水天上来君不见黄河之水天上来奔流到海不复回奔流到海不复回大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性？性？知识自主梳理知识自主梳理热力学第二定律的一种表述热力学第二定律的一种表述1可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程(热传导的方向性热传导的方向性)热传导的过程可以自发地由热传导的过程可以自发地由_物体向物体向_物体物体进行，但相反方向却不能进行，但相反方向却不能_进行，即热传导具有进行，即热传导具有_性，是一个不可逆过程。性，是一个不可逆过程

3、。2热力学第二定律的一种表述热力学第二定律的一种表述(克劳修斯表述克劳修斯表述)热量不能自发地从热量不能自发地从_物体传递到物体传递到_物体。物体。高温高温低温低温自发地自发地方向方向低温低温高温高温热力学第二定律的另一种表述热力学第二定律的另一种表述1开尔文表述开尔文表述不可能从不可能从_吸收热量，使之完全变成吸收热量，使之完全变成_，而，而不产生其他影响。不产生其他影响。2热力学第二定律的其他描述热力学第二定律的其他描述(1)一切宏观自然过程的进行都具有一切宏观自然过程的进行都具有_。(2)气体向真空的自由膨胀是气体向真空的自由膨胀是_的。的。单一热库单一热库功功方向性方向性不可逆不可逆1

4、有序有序只要确定了某种规则，只要确定了某种规则，_这个规则的就叫做有序。这个规则的就叫做有序。2无序无序不符合某种不符合某种_的称为无序。的称为无序。3宏观态宏观态_某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。4微观态微观态在宏观状态下，符合在宏观状态下，符合_的规定、规则的状态叫做这的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。个宏观态的微观态。有序和无序宏观态和微观态有序和无序宏观态和微观态符合符合确定规则确定规则符合符合另外另外气体向真空的扩散气体向真空的扩散热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着分子热力学第二定律的微观意义：一切自然过

5、程总是沿着分子热运动的热运动的_的方向进行。的方向进行。无序性增大无序性增大 1熵熵(1)微观状态的数目用微观状态的数目用表示，用表示，用S表示熵，则表示熵，则S_，k称为玻耳兹曼常数。称为玻耳兹曼常数。(2)熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的_决定。从分子动理论的观点来看，熵是分子热运动决定。从分子动理论的观点来看，熵是分子热运动_程度的定量量度。程度的定量量度。2熵增加原理熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵_，叫做，叫做熵增加原理。对于其他情况，系统的熵可能增加，也可能减熵增加原理。对于其

6、他情况，系统的熵可能增加，也可能减小。小。熵及熵增加原理熵及熵增加原理kln状态状态无序无序(混乱混乱)不会减小不会减小重点难点突破重点难点突破一、热力学第二定律理解中的几个问题一、热力学第二定律理解中的几个问题1单一热库单一热库指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。在研究利用海水上下温

7、度不同来发电。2其他影响其他影响指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。不是不能从单一热库吸收热的热量外，其他一切影响和变化。不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动热传递是不可能的

8、。不产生其他影响的自动热传递是不可能的。3关于关于“不可能不可能”实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。能加以消除。4适用条件适用条件只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无宏观过程。而不适用于少

9、量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。限的宇宙。5两种表述是等价的两种表述是等价的两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性。两种表述可两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性。两种表述可以相互推导。以相互推导。二、热力学第二定律与第一定律的比较二、热力学第二定律与第一定律的比较规律规律区别联系区别联系 热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律区别区别热力学第一定律是能量热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动从而否定了第一类永动机机热力学第二定律是关于在热力学

10、第二定律是关于在有限空间和时间内，一切有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定性的经验总结，从而否定了第二类永动机了第二类永动机联系联系两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1kW，制冷，制冷能力能力1.2104kJ/

11、h，制热能力，制热能力1.3104kJ/h。这样，该空调在制。这样，该空调在制热时，每消耗热时，每消耗1J电能，将放出电能，将放出3J多热量，是指标错误还是能多热量，是指标错误还是能量不守恒？量不守恒？答案：答案：都不是。空调制冷都不是。空调制冷(制热制热)靠压缩机做功，从室内靠压缩机做功，从室内(室外室外)吸收热量放到室外吸收热量放到室外(室内室内)。在制热时，放出的热量等于。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热

12、力学第二定律。律。三、有序、无序的含义三、有序、无序的含义1“无序无序”意味着各处一样、平均、没有差别，而有序意味着各处一样、平均、没有差别，而有序则正好相反。则正好相反。2“有序有序”与与“无序无序”是相对的。是相对的。四、熵的含义四、熵的含义“有序有序”和和“无序无序”是相对而言的，是从有序程度上讲是相对而言的，是从有序程度上讲的，熵是宏观态无序程度的量度，熵越高，意味着宏观态所对的，熵是宏观态无序程度的量度，熵越高，意味着宏观态所对应的微观态数目越多，即越无序，熵越低即越有序。应的微观态数目越多，即越无序，熵越低即越有序。五、热力学第二定律的微观解释五、热力学第二定律的微观解释高温物体和

13、低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体。所以在是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体。所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高了。而高温动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高了。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低了。物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低了。所以从宏观热现象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温所以从宏观热现象角度来看

14、，热传递具有方向性，总是从高温物体传给低温物体。换一种角度看，初始我们根据温度的高低物体传给低温物体。换一种角度看，初始我们根据温度的高低来区分两个物体，而终了状态两个物体上的温度处处相同，无来区分两个物体，而终了状态两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们就说系统的无序程度增加了。法区别，我们就说系统的无序程度增加了。同理可知，在通过做功使系统内能增加的过程中，是大量同理可知，在通过做功使系统内能增加的过程中，是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程。分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程。成语成语“覆水难收覆水难收”指的是一盆指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中水泼出去后是不

15、可能再倒回盆中的。请从不同宏观态所对应的微观的。请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度，解释为什么态数目不同这个角度，解释为什么水不会自发地聚到盆中。水不会自发地聚到盆中。答案：答案：由于盆的形状确定，水在盆中所处的宏观态对应的由于盆的形状确定，水在盆中所处的宏观态对应的微观态数目少，较为有序。当把水泼出后，它的形状不受盆的微观态数目少，较为有序。当把水泼出后，它的形状不受盆的限制，各种可能的形状都有，此时所处的宏观态对应的微观态限制，各种可能的形状都有，此时所处的宏观态对应的微观态数目将变得非常多，较为无序。因为自发的过程总是从有序向数目将变得非常多，较为无序。因为自发的过程总是从有序

16、向无序发展，所以水不会自发地聚到盆中。无序发展，所以水不会自发地聚到盆中。考点题型设计考点题型设计下列说法正确的是下列说法正确的是()A机械能全部变成内能是不可能的机械能全部变成内能是不可能的B第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式物体，或从一种形式转化成另一种形式C根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体到高温物体D从单一热源吸收的热量全

17、部变成功是可能的从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的热力学第二定律的理解热力学第二定律的理解解析：解析：机械能可以全部转化为内能。故机械能可以全部转化为内能。故A错；第二类永动错；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，故机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B项项错；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自错；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，故发地，是可以进行的，故C项错；从单一热源吸收热量全部用项错；从单一热源吸收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来做功而不引起其他变化，是不可能的，但

18、如果是从单一热源吸收热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，吸收热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故故D项对。项对。答案：答案：D点评：点评：本题易错选本题易错选C，原因是忽略了在，原因是忽略了在“引起其他变化引起其他变化”时，热量可以从低温物体传到高温物体。时，热量可以从低温物体传到高温物体。如图中气缸内盛有定量的理想气体，气缸壁是导热的，如图中气缸内盛有定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接，使其缓慢地向右移动，这样气气。现将活塞杆与外界连接，

19、使其缓慢地向右移动，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，全用来对外做功，因此此过气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律程违反热力学第二定律B气体从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以气体从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律此过程不违反热力学第二定律C气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律不违反热力学

20、第二定律DABC三种说法都不对三种说法都不对答案：答案：C解析：解析：热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，来描述是：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。本题中如果没有外界的帮助，比如外力拉而不引起其他变化。本题中如果没有外界的帮助，比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，导致气体温动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，导致气体温度略微降低，是不可能从外界吸收热量的，即这一过程虽然是度略微降低，是不可能从外界吸收热量的，即这一过程虽然是气体从单一

21、热源吸热，全用来对外做功，但引起了其他变化，气体从单一热源吸热，全用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律。所以此过程不违反热力学第二定律。关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是确的是()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

22、的过程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向进行热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义解析：解析：分子热运动是大量分子无规则运动，系统的一个宏分子热运动是大量分子无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无变成了有序，热传递的自然过程从微观上

23、讲就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，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，C、D项正确。项正确。答案：答案：CD点评：点评：热传递过程是大量分子由无序程度小转化为无序程热传递过程是大量分子由无序程度小转化为无序程度大的过程，体现了自然过程的方向。度大的过程，体现了自然过程的方向。如图，质量、温度相同的水，分别处于固态、液态和气如图，质量、温度相同的水，分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？答案：答案：根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学根据大量分子运动对系统无

24、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，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。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，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，可以由固要么不变，但不会减少。质量相同，温度相同的水，可以由固体自发地向液体、气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是体自发地向液体、气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液体，固态时的熵最小。液体，固态时的熵最

25、小。炎炎夏日，甲、乙两位同学在充满凉意的空调炎炎夏日，甲、乙两位同学在充满凉意的空调室内，就空调机的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发室内，就空调机的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发生了争论。生了争论。甲同学说：空调机工作时，不断地把热量从室内传到室甲同学说：空调机工作时，不断地把热量从室内传到室外，即从低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二外，即从低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二定律。定律。乙同学说：热力学第二定律是热力学系统的普遍规律，空乙同学说：热力学第二定律是热力学系统的普遍规律，空调机的工作过程不可能违反它。调机的工作过程不可能违反它。两人各执一词，都

26、无法使对方信服。请你对他们的论点作两人各执一词，都无法使对方信服。请你对他们的论点作出评价。出评价。开放开放探究探究解析：解析：空调机和电冰箱都是制冷机，它们的工作原理基本空调机和电冰箱都是制冷机，它们的工作原理基本相同。为了便于解析，我们以电冰箱为研究对象，认识它的基相同。为了便于解析，我们以电冰箱为研究对象，认识它的基本结构和工作过程。从冰箱的原理图可以知道，电冰箱由压缩本结构和工作过程。从冰箱的原理图可以知道，电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管机、冷凝器、毛细管(节流阀节流阀)、蒸发器四个部分组成。这四个、蒸发器四个部分组成。这四个部分由管道连接，组成一个密闭的连通器系统，制冷剂作为工部分由

27、管道连接，组成一个密闭的连通器系统，制冷剂作为工作物质，由管道输送，经过这四个部分，完成工作循环。作物质，由管道输送，经过这四个部分，完成工作循环。压缩机是电冰箱的压缩机是电冰箱的“心脏心脏”，它消耗电能对来自蒸发器的，它消耗电能对来自蒸发器的制冷剂蒸汽做功，使它变成高温高压的蒸汽制冷剂蒸汽做功，使它变成高温高压的蒸汽(如如p9.1atm，t46)。然后这些高温高压的蒸汽来到冷凝器，向低温的环境。然后这些高温高压的蒸汽来到冷凝器，向低温的环境(空气空气)放热，同时自身被冷却而凝成低温高压的液体放热，同时自身被冷却而凝成低温高压的液体(如如p8.9atm，t37.4)。这些低温高压的液态制冷剂由

28、过滤器滤。这些低温高压的液态制冷剂由过滤器滤掉水分和杂质，进入毛细管，经节流阀膨胀，变为低温低压的掉水分和杂质，进入毛细管，经节流阀膨胀，变为低温低压的液体液体(如如p1.5atm，t20)，随后进入电冰箱的蒸发器。在，随后进入电冰箱的蒸发器。在那里，这些低温低压的液态制冷剂在低压条件下迅速汽化，从那里，这些低温低压的液态制冷剂在低压条件下迅速汽化，从外界外界(电冰箱内电冰箱内)吸收大量的热量，使那儿的温度降低。这样就吸收大量的热量，使那儿的温度降低。这样就完成了一个制冷循环。由此可见乙同学的论点正确。完成了一个制冷循环。由此可见乙同学的论点正确。一盆水在寒冷的天气中放在户外就要结冰，液态水的分一盆水在寒冷的天气中放在户外就要结冰