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.ppt

成才之路 物理 路漫漫其修远兮吾将上下而求索 人教版 选修3 3 热力学定律 第十章 第四节热力学第二定律第五节热力学第二定律的微观解释 第十章 覆水难收君不见黄河之水天上来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 不可逆性 热力学第二定律的一种表述 1 可逆与不可逆过程 热传导的方向性 热传导的过程可以自发地由 物体向 物体进行 但相反方向却不能 进行 即热传导具有 性 是一个不可逆过程 2 热力学第二定律的一种表述 克劳修斯表述 热量不能自发地从 物体传递到 物体 高温 低温 自发地 方向 低温 高温 热力学第二定律的另一种表述 1 开尔文表述不可能从 吸收热量 使之完全变成 而不产生其他影响 2 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 2 气体向真空的自由膨胀是 的 单一热库 功 方向性 不可逆 1 有序只要确定了某种规则 这个规则的就叫做有序 2 无序不符合某种 的称为无序 3 宏观态 某种规定 规则的状态 叫做热力学系统的宏观态 4 微观态在宏观状态下 符合 的规定 规则的状态叫做这个宏观态的微观态 有序和无序宏观态和微观态 符合 确定规则 符合 另外 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运动的 的方向进行 无序性增大 1 熵 1 微观状态的数目用 表示 用S表示熵 则S k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 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 2 熵增加原理在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵 叫做熵增加原理 对于其他情况 系统的熵可能增加 也可能减小 熵及熵增加原理 kln 状态 无序 混乱 不会减小 一 热力学第二定律理解中的几个问题1 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 有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电 2 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 而是指不产生其他影响的自动热传递是不可能的 3 关于 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能加以消除 4 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限的宇宙 5 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 两种表述可以相互推导 二 热力学第二定律与第一定律的比较 一种冷暖两用型空调 铭牌标注 输入功率1kW 制冷能力1 2 104kJ h 制热能力1 3 104kJ h 这样 该空调在制热时 每消耗1J电能 将放出3J多热量 是指标错误还是能量不守恒 答案 都不是 空调制冷 制热 靠压缩机做功 从室内 室外 吸收热量放到室外 室内 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耗 这既不违背热力学第一定律 也不违背热力学第二定律 三 有序 无序的含义1 无序 意味着各处一样 平均 没有差别 而有序则正好相反 2 有序 与 无序 是相对的 四 熵的含义 有序 和 无序 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 是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程 成语 覆水难收 指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中的 请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度 解释为什么水不会自发地聚到盆中 答案 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无序发展 所以水不会自发地聚到盆中 下列说法正确的是 A 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C 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D 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 解析 机械能可以全部转化为内能 故A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B项错 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 但如果不是自发地 是可以进行的 故C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D项对 答案 D点评 本题易错选C 原因是忽略了在 引起其他变化 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 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 全用来对外做功 因此此过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 但此过程不违反热力学第二定律D ABC三种说法都不对答案 C 解析 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 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 关于热力学第二定律的微观意义 下列说法正确的是 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 热力学第二定律的微观意义 解析 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 答案 CD点评 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 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 答案 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 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 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 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 开放 探究 解析 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 节流阀 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 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 如p 9 1atm t 46 然后这些高温高压的蒸汽来到冷凝器 向低温的环境 空气 放热 同时自身被冷却而凝成低温高压的液体 如p 8 9atm t 37 4 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 变为低温低压的液体 如p 1 5atm t 20 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 从外界 电冰箱内 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 一盆水在寒冷的天气中放在户外就要结冰 液态水的分子无序度比冰高 那么 结冰的过程违反熵增加原理吗 为什么 答案 液体的水比冰的无序度大 但我们看孤立系统的熵 而不是看个别不孤立的物体 一盆水在寒冷的天气中并不是孤立系统 因为水与外界大气有能量交换 熵增加原理是指的孤立遵守能量守恒的系统 本说法中 水与大气为一个孤立系统 水结冰时放热 使周围大气 地面 分子内能增加 无序度增加 系统总熵值是增加的 并不违反该原理 易错点 对热力学第二定律的理解存在误区案例 下列说法正确的是 A 热量不能从低温物体传到高温物体B 功可以完全变成热 热不能完全变成功C 改进热机的生产工艺 总有一天热机的效率可以达到100 D 气体向真空的自由膨胀是不可逆的 易错分析 易错选项及错误原因具分析如下 正确解答 在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体 A错 在一定条件下热可以全部变成功 B错 热机的效率在任何条件下都不可能达到100 C错 一切宏观自然过程的进行都具有方向性 D正确 正确答案 D