【导学练】高中物理鲁科版(2019)选择性必修3：3.3 热力学第二定律 4 熵-系统无序程度的量度学案

第3节热力学第二定律第4节熵——系统无序程度的量度[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道什么是可逆过程和不可逆过程，知道热传递的方向性及与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。科学思维了解热力学第二定律的两种表述及熵增加原理，并能解释相关问题及第二类永动机不能制成的原因。科学探究通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。科学态度与责任学会科学家探索问题的方法，实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。知识点一可逆过程与不可逆过程1．可逆过程和不可逆过程(1)可逆过程一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即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，则原来的过程称为可逆过程。(2)不可逆过程一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果用任何方法都不能使系统与外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。2．热传递的方向性(1)热量可以自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分。(2)热量不能自发地由低温物体传给高温物体。(3)热传递是不可逆过程，具有方向性。3．功热转化的方向性功热转化这一热现象是不可逆的，具有方向性。4．结论凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。说明：由生活经验可知，墨水扩散过程不可逆。1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)100℃的水经过热量的散失过程变为冷水，冷水加热后又变为100℃的水，说明热量的散失是可逆过程。 (×)(2)热量不会从低温物体传给高温物体。 (×)(3)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 (√)知识点二热力学第二定律及第二类永动机1．热力学第二定律(1)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)开尔文表述不可能从单一热源吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化。2．第二类永动机(1)定义从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不引起其他变化的机器。(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表述第二类永动机是不可能实现的。注意：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)传热的过程是具有方向性的。 (√)(2)科技发达后，热机的效率可以达到100%。 (×)3：填空如图所示是压缩式电冰箱的工作原理示意图。经过干燥过滤器后液体制冷剂进入蒸发器，汽化吸收箱体内的热量，压缩机使低温低压的制冷剂气体变成高温高压的气体，然后制冷剂在冷凝器中液化放出热量到箱体外。电冰箱将热量从低温物体转移到高温物体的工作过程不违背(填“违背”或“不违背”)热力学第二定律。知识点三熵——系统无序程度的量度1．有序与无序(1)生活中符合某种规则的现象称为有序，反之称为无序。规则越多，一个宏观状态对应的微观状态越少，出现的概率越小，我们称之为越有序。反之规则越少，一个宏观状态对应的微观状态就越多，出现的概率也越大，我们称之为越无序。(2)热力学第二定律的微观本质：与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。2．熵和熵增加原理(1)熵的定义用来量度系统无序程度的物理量叫作熵。(2)熵增加原理在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增加的方向进行。3．熵与能量退降在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态，能量品质退化了，这种现象称为能量退降。说明：系统越无序，熵越大。4：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)一个宏观态所对应的微观态数目越多，则熵越大。 (√)(2)封闭系统的自然过程熵总是增加的。 (√)(3)熵值越大代表越有序。 (×)考点1热力学第二定律“火中取栗”是大家非常熟悉的成语，如图所示，这其中包含什么物理知识呢？提示：当手伸到火中拿栗子时会被灼伤，即热量从火传到了手上，从而使手的温度升高，这是由热现象的方向性决定的，绝对不会出现手伸到火中后，热量从手上传到火中，而使手的温度降低，而火的温度更高的情况。1．对热力学第二定律的理解在热力学第二定律的表述中，正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它不受外界干扰。在传热过程中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，却不能自发地从低温物体传向高温物体。要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“对外界的影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例，它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”运到高温处的。(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。2．热机(1)热机：把内能转化成机械能的一种装置。如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。(2)热机的工作原理工作物质从热库吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中。根据能量守恒有Q1＝W＋Q2。(3)热机的效率把热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η＝eq\f(W,Q1)。因为Q1＝W＋Q2，所以Q1>W，η<1。这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中。(4)特别提示：①热机必须有热源和冷凝器。②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。③因热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1>W。④热机的效率不可能达到100%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。3．第二类永动机不可能制成(1)第二类永动机：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。(2)第二类永动机不可能制成：这类机器虽然不违背能量守恒定律，但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的，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，转化为机械能，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。【典例1】(多选)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．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体思路点拨：(1)热机效率不可能达到100%。(2)对“自发”的正确理解。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，热机的效率不可能达到100%，故热机中燃气的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转变为电能，故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(克劳修斯)表述的主要思想，故D正确。]理解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“不产生其他影响”。eq\a\vs4\al([跟进训练])角度一热力学第二定律的理解1．(多选)如图中汽缸内盛有一定量的理想气体，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，此过程违背热力学第二定律B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律CD[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过程中，有足够时间进行热交换，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，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，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，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，C、D正确。]角度二第二类永动机2．(多选)关于第二类永动机，下列说法中正确的是()A．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机B．第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能D．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化AD[由第二类永动机的表述知A正确；第二类永动机违反了热力学第二定律，所以不能制成，故B错误；机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化，故D正确，C错误。]考点2熵——系统无序程度的量度如图所示，质量和温度相同的水，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？气体液体固体提示：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，但不会减小。质量相同、温度相同的水，可以由固体自发地向液态、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。1．对熵的理解(1)熵是反映系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵就越大。(2)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。2．对熵增加原理的理解(1)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。(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，熵值越大代表着越无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。【典例2】(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，而不是从有序运动状态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。]熵的五点注意(1)熵的微观意义：熵是系统内分子热运动无序性的量度。(2)熵是表示一个体系自由度的物理量。熵越大，表示在这个体系下的自由度越大，可能达到的状态越多。(3)熵不是守恒的量，在孤立体系中经过一个不可逆过程，熵总是增加的。(4)熵的本质：熵是体现微观混乱度的量度，混乱度越大，熵值也越大。(5)一个孤立系统的自然可逆过程中，总熵不变。eq\a\vs4\al([跟进训练])3．(多选)在下列叙述中，正确的是()A．熵是物体内分子运动无序程度的量度B．对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向减少的方向进行C．热力学第二定律的微观实质是：熵总是增加的D．熵值越大，表明系统内分子运动越无序ACD[熵是物体内分子运动无序程度的量度，系统内分子运动越无序，熵值越大，故A、D正确；对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行，故B错误；根据热力学第二定律，扩散、热传递等现象与温度有关，凡是与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，其实质表明熵总是增加的，故C正确。]1．下列说法正确的是()A．能量耗散说明能量在不断减少B．能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性C．热量不可能从低温物体传给高温物体D．根据热力学第二定律，在火力发电机中，燃气的内能可以全部转化为电能B[能量耗散是指能量的可利用率越来越低，由于能量守恒，故能量不会减少，选项A错误；根据热力学定律可知，与热现象有关的宏观自然过程具有方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，选项B正确；根据热力学第二定律可知，能量转化和转移具有方向性，热量不能自发地从低温物体传给高温物体，但可以借助其他办法实现，选项C错误；火力发电机发电时，能量转化的过程为化学能—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，选项D错误。]2．下列说法正确的是()A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功B．热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化C．热机的效率不可能大于1，但可能等于1D．热机的效率必定小于1D[开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他变化，比如气体等温膨胀，气体内能完全转化为功，但气体体积增大了，A错误；开尔文表述指出，热机不可能只有单一热库，但未必就是两个热库，可以具有两个以上热库，B错误；由η＝eq\f(Q1－Q2,Q1)可知，只要Q2≠0，则η≠1，如果Q2＝0，则低温热库不存在，违背了开尔文表述，C错误，D正确。]3．(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法正确的有()A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体C．机械功可以全部转化为热量，但热量不可能全部转化为机械功D．机械功可以全部转化为热量，热量也可能全部转化为机械功BD[根据传热的规律可知热量能够从高温物体传到低温物体；当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，制冷机(例如冰箱和空调)就是这样的装置，但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体，A错误，B正确；一个运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终停止，在这个过程中机械功全部转化为热量，外界条件发生变化时，热量也可以全部转化为机械功，例如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界