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-无序程度的量度教师用书 鲁科版选修3-3

第3节热力学第二定律第4节熵无序程度的量度学 习 目 标知 识 脉 络1.了解热传导及宏观过程的方向性(重点)2了解热力学第二定律的多种表述，并用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成的原因(重点)3了解熵的概念及熵增加原理，并能解释生活中的有关现象(难点)自然过程的方向性热力学第二定律的表述1自然过程的方向性(1)可逆过程和不可逆过程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，则原来的过程称为不可逆过程(2)热传导的方向性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热量不能自发地由低温物体传给高温物体热传递是不可逆过程，具有方向性(3)功和热相互转变的方向性功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性热转变为功这一热现象也是不可逆的，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2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(说明热传导的方向性)(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(说明机械能与内能转化的方向性)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(3)第二类永动机定义从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器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热力学第二定律的又一表述第二类永动机是不可能制成的1第一类永动机违背了能量守恒定律()2机械能可以转变为内能，内能不可以转变为功()3在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体()(1)有可能制成第二类永动机吗？【提示】第二类永动机不可能制成，尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性(2)请举出日常生活中的一些不可逆过程【提示】破镜不能重圆水从高山流到河谷，不可能自己再返回高山一滴墨水滴入一杯清水中，墨水扩散均匀后，不可能再自动地凝聚成一滴墨水探讨1：一杯热水放在教室里，热水中的热量会自发地传递给空气其中“自发地”的含义是什么？【提示】“自发地”是指没有受到任何外界影响或者干扰探讨2：空调和电冰箱工作时，热量从低温物体传递给高温物体电冰箱和空调违反热力学第二定律吗？为什么？【提示】不违反；因为这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即必须开动空调、电冰箱的压缩机消耗电能1对两种表述的理解(1)热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联系，然而实际上它们是等价的，即由其中一个，可以推导出另一个(2)“不引起其他变化”是指使热量从低温物体传递到高温物体时外界不消耗任何功或从单一热源吸收热量全部用来做功而外界及系统都不发生任何变化(3)克劳修斯表述是说热量不能自动地从低温物体转移到高温物体如果外界消耗一定量的功，把热量从低温物体转移到高温物体是完全可能的，如电冰箱和空调机的制冷过程(4)开尔文表述表明了在引起其他变化或产生其他影响的条件下，热量能够完全转化为功，如理想气体的等温自由膨胀，内能不变，吸收的热量全部转化为功，但却引起了体积的膨胀2热力学第二定律的普遍性热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的图5313热力学第二定律的推广对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述例如，在图531中，盒子中间有一个挡板，左室为真空，右室有气体撤去挡板后，右室的气体自发向左室扩散，而相反的过程不可能自发地进行因此，热力学第二定律也可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的1(2016唐山检测)下列关于热力学第二定律的说法正确的是()A所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生B一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能而不引其他影响D气体向真空的自由膨胀是可逆的E热运动的宏观过程会有一定的方向性【解析】热运动的宏观过程会有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不能都真的发生，故A错误，E正确；根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，所以气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确，D错误；根据热力学第二定律，不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，所以机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能，故C正确【答案】BCE2根据热力学第二定律，下列说法中正确的是()A电流的电能不可能全部转变成内能B在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能C在热机中，燃气的内能不可能全部转变为机械能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E热量可以从低温物体传向高温物体，而不引起其他的影响【解析】电能可以全部转化为内能，如纯电阻电路，而燃气的内能不可能全部转化为电能和机械能，故A错误，B、C正确；根据热力学第二定律关于热传导的描述知，D正确，E错误【答案】BCD3下列说法中正确的是()A机械能全部转化为内能是不可能的B机械能可以全部转化为内能C第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会消失，也不会创生，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式D根据热力学第二定律可知，热量可能从低温物体传到高温物体E从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的【解析】机械能可以全部转化为内能，故A错误，B正确；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C错误；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D正确；从单一热源吸收的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吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故E正确【答案】BDE理解热力学第二定律的方法(1)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“不引起其他变化”(2)正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响熵1有序与无序(1)温度高低的区别在于分子的平均动能不同热传导这个不逆过程使无序程度增加了(2)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做熵(2)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，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无处不在的熵在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量逐渐丧失做功的本领，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1熵是系统内分子运动无序性的量度()2在自然过程中熵总是增加的()3熵值越大代表越有序()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【提示】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，占据的空间面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，不符合熵增加原理，因此水不能自发地聚到盆中探讨1：熵的大小与无序性的大小有什么关系？【提示】熵值越大其无序性越大探讨2：在自然过程中，孤立系统的熵一定增大吗？【提示】在自然过程中，孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展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4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E能量耗散说明能量在不断减小【解析】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；能量耗散是指能量的可利用率越来越低，但能量仍然是守恒的，故E错误【答案】ACD5对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是()A系统的总熵只能增大，不可能减小B系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小C系统逐渐从比较有序的状态向无序的状态发展D系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展E在自然的可逆过程中，孤立系统的总熵不变【解析】根据熵增加原理，一个孤立系统发生的实际过程，总熵只能增大，A正确，B错误；对于可逆的自然过程，总熵不变，E对；再根据熵的物理意义，它量度系统的无序程度，熵越大，无序程度越大，故C正确，D错误【答案】ACE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：熵是体系微观混乱度的量度，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，总熵不变学业分层测评(十二)(建议用时：45分钟)学业达标1下列关于熵的有关说法正确的是()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E熵值越小表示系统越无序【解析】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；熵越大，系统越混乱，无序程度越大，D正确，E错误【答案】ABD2下列说法正确的是()A热量能自发地从高温物体传给低温物体B热量不能从低温物体传到高温物体C热传导是有方向性的D气体向真空中膨胀的过程是有方向性的E气体向真空中膨胀的过程是可逆的【解析】如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，选项A、C对，B错；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，具有方向性，选项D对，E错【答案】ACD3以下说法正确的是()A热传导过程是有方向性的，因此两个温度不同的物体接触时，热量一定是从高温物体传给低温物体的B热传导过程是不可逆的C两个不同的物体接触时热量会自发地从内能多的物体传向内能少的物体D电冰箱制冷是因为电冰箱自发地将内部热量传给外界E热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助【解析】热量可以自发地由高温物体传递给低温物体，热量从低温物体传递给高温物体要引起其他变化，A、B、E选项正确【答案】ABE4下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是() 【导学号：30110065】A第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律B能量耗散过程中能量是守恒的C电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律D能量耗散是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E物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功【解析】第一类永动机是指不消耗能量却可以不断对外做功的机器，违背了能量守恒定律，A正确；电冰箱在电机做功的情况下，不断把冰箱内的热量传到外界，没有违背热力学第二定律，C错误；物体从单一热源吸收的热量不可全部用于做功，因为机械能和内能的转化过程具有方向性，尽管机械能可以全部转化成内能，但内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化，E错误【答案】ABD5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E有的物理过程可以自发地进行【解析】由热力学第二定律的物理意义知，A、C、E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【答案】ACE6下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是()A大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开B将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开C冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来D随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%E杯子摔碎而不能复原【解析】热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，A、E不属于热现象，故A、E错；由热力学第二定律可知B、C、D正确【答案】BCD7(2016万州区高二检测)用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图532所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况. 【导学号：30110066】图532【解析】温差发电现象中产生了电能是因为热水的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，不违反热力学第二定律【答案】不违反热水温度降低，冷水温度升高将热水的部分内能转化为电能，另一部分释放到低温热源冷水中8炎炎夏日，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生了争论一位同学说：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定律另一位同学说：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论【答案】压缩机是空调机的“心脏”，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然后这些高温高压的蒸汽来到冷凝器，向低温的环境放热，同时自身被冷却而凝成低温高压的液体这些低温高压的液体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，变为低温低压的液体，随后进入空调机的蒸发器在蒸发器内，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(空调机内)吸收热量，使空调机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能力提升9下列说法正确的是()A机械能全部变成内能是不可能的B从热库吸收的热量全部变成功是可能的C热机是一种把内能转化为机械能的装置D没有任何漏气和摩擦时，热机的效率100%100%E第二类永动机不可能制成可以作为热力学第二定 律的一种表述【解析】机械能可以全部转化成内能，A错误；从热库吸收的热量全部变成功也是可能的，只是会引起其他变化，B正确；热机是一种把内能转化为机械能的装置，C正确；热机工作过程中，必定要放出部分热量，热机用于做机械功的热量一定小于它从高温热库那里吸收的热量即使没有任何漏气和摩擦时，热机的效率也不可能达到100%，D错误；任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述，故E正确【答案】BCE10下列说法中正确的是()A根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传递到高温物体B能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性C当分子间的距离增大时，分子间的引力增大、斥力减小D温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时，两系统温度相同E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又不引起其他变化【解析】热量不能自发地从低温物体传到高温物体，选项A错误；耗散掉的能量不能再重新收集起来加以利用，说明能量的转化具有方向性，选项B正确；当分子间的距离增大时，分子间的引力和斥力均要减小，选项C错误；温度是描述热运动的物理量，是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量，所以当一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同，选项D正确；由热力学第二定律可知，选项E正确【答案】BDE11如图533甲、乙、丙所示，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？甲 乙 丙图533【解析】S气S液S固根据大量分子热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、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，由液态向气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小【答案】S气S液S固原因见解析12热力学第二定律常见的表述有两种第一种表述：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；第二种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化图534(a)是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体请你根据第二种表述完成示意图534(b)图534根据图534你的理解，热力学第二定律的实质是什么？【解析】第二种表述的意思是：热机吸收热量，对外做功，同时把热量传给低温物体其表述示意图如图所示其实质是：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性【答案】图见解析一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性