熱力學第二定律 熵——無序程度的量度

1、第3節(jié)熱力學第二定律第4節(jié)熵無序程度的量度學 習 目 標知 識 脈 絡1.了解熱傳導及宏觀過程的方向性(重點)2了解熱力學第二定律的多種表述，并用熱力學第二定律解釋第二類永動機不可能制成的原因(重點)3了解熵的概念及熵增加原理，并能解釋生活中的有關現象(難點)自然過程的方向性熱力學第二定律的表述1自然過程的方向性(1)可逆過程和不可逆過程可逆過程一個系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經過某一過程到達另一狀態(tài)，如果存在另一過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復原，即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時消除原來過程對外界的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程不可逆過程如果用任何方法都不能使系統(tǒng)與外界完全復原，則原來的過程稱為不可逆過程

2、(2)熱傳導的方向性熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體，或者由物體的高溫部分傳給低溫部分熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體熱傳遞是不可逆過程，具有方向性(3)功和熱相互轉變的方向性功轉變?yōu)闊徇@一熱現象是不可逆的，具有方向性熱轉變?yōu)楣@一熱現象也是不可逆的，具有方向性(4)結論凡是與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性2熱力學第二定律的表述(1)第一種表述(克勞修斯表述)不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化(說明熱傳導的方向性)(2)第二種表述(開爾文表述)不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓?說明機械能與內能轉化的方向性)熱力學第二定律的這兩種表述是等價的

3、熱現象的宏觀過程是不可逆的(3)第二類永動機定義從單一熱源吸取熱量并使之完全轉化為功而不產生其他影響的機器第二類永動機不可能制成第二類永動機并不違背熱力學第一定律，但違背了熱力學第二定律熱力學第二定律的又一表述第二類永動機是不可能制成的1第一類永動機違背了能量守恒定律()2機械能可以轉變?yōu)閮饶?，內能不可以轉變?yōu)楣?×)3在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體()(1)有可能制成第二類永動機嗎？【提示】第二類永動機不可能制成，盡管機械能可以全部轉化為內能，但內能卻不能全部轉化為機械能而不引起其他變化；機械能和內能的轉化過程具有方向性(2)請舉出日常生活中的一些不可逆過程【提示】

4、破鏡不能重圓水從高山流到河谷，不可能自己再返回高山一滴墨水滴入一杯清水中，墨水擴散均勻后，不可能再自動地凝聚成一滴墨水探討1：一杯熱水放在教室里，熱水中的熱量會自發(fā)地傳遞給空氣其中“自發(fā)地”的含義是什么？【提示】“自發(fā)地”是指沒有受到任何外界影響或者干擾探討2：空調和電冰箱工作時，熱量從低溫物體傳遞給高溫物體電冰箱和空調違反熱力學第二定律嗎？為什么？【提示】不違反；因為這不是自發(fā)的過程，這個過程必須有第三者的介入，即必須開動空調、電冰箱的壓縮機消耗電能1對兩種表述的理解(1)熱力學第二定律的兩種表述看上去似乎沒有什么聯系，然而實際上它們是等價的，即由其中一個，可以推導出另一個(2)“不引起其他

5、變化”是指使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體時外界不消耗任何功或從單一熱源吸收熱量全部用來做功而外界及系統(tǒng)都不發(fā)生任何變化(3)克勞修斯表述是說熱量不能自動地從低溫物體轉移到高溫物體如果外界消耗一定量的功，把熱量從低溫物體轉移到高溫物體是完全可能的，如電冰箱和空調機的制冷過程(4)開爾文表述表明了在引起其他變化或產生其他影響的條件下，熱量能夠完全轉化為功，如理想氣體的等溫自由膨脹，內能不變，吸收的熱量全部轉化為功，但卻引起了體積的膨脹2熱力學第二定律的普遍性熱力學第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的

6、圖5­3­13熱力學第二定律的推廣對任何一類宏觀自然過程進行方向的說明，都可以作為熱力學第二定律的表述例如，在圖5­3­1中，盒子中間有一個擋板，左室為真空，右室有氣體撤去擋板后，右室的氣體自發(fā)向左室擴散，而相反的過程不可能自發(fā)地進行因此，熱力學第二定律也可以表述為：氣體向真空的自由膨脹是不可逆的1下列關于熱力學第二定律的說法正確的是()A所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發(fā)生B一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的C機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能而不引其他影響D氣體向真空的自由膨脹是可逆的E熱運動的宏觀過程會有一

7、定的方向性【解析】熱運動的宏觀過程會有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏觀過程并不能都真的發(fā)生，故A錯誤，E正確；根據熱力學第二定律，一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，所以氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，故B正確，D錯誤；根據熱力學第二定律，不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，所以機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能，故C正確【答案】BCE2根據熱力學第二定律，下列說法中正確的是()A電流的電能不可能全部轉變成內能B在火力發(fā)電中，燃氣的內能不可能全部轉變?yōu)殡娔蹸在熱機中，燃氣的內能不可能全部轉變?yōu)闄C械能D在熱傳導中，熱量不可能自發(fā)地從

8、低溫物體傳遞給高溫物體E熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，而不引起其他的影響【解析】電能可以全部轉化為內能，如純電阻電路，而燃氣的內能不可能全部轉化為電能和機械能，故A錯誤，B、C正確；根據熱力學第二定律關于熱傳導的描述知，D正確，E錯誤【答案】BCD3下列說法中正確的是()A機械能全部轉化為內能是不可能的B機械能可以全部轉化為內能C第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會消失，也不會創(chuàng)生，只能從一個物體轉移到另一個物體，或從一種形式轉化為另一種形式D根據熱力學第二定律可知，熱量可能從低溫物體傳到高溫物體E從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣κ强赡艿摹窘馕觥繖C械能可以全部轉化為內能，故A錯誤，

9、B正確；第二類永動機不可能制造成功是因為它違背了熱力學第二定律，故C錯誤；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但如果不是自發(fā)地，是可以進行的，故D正確；從單一熱源吸收的熱量全部用來做功而不引起其他變化，是不可能的，但如果是從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣Φ耐瑫r也引起了其他的變化，是可能的，故E正確【答案】BDE理解熱力學第二定律的方法(1)理解熱力學第二定律的實質，即自然界中進行的所有涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性理解的關鍵在于“自發(fā)”和“不引起其他變化”(2)正確理解哪些過程不會達到100%的轉化而不產生其他影響熵1有序與無序(1)溫度高低的區(qū)別在于分子的平均動能不同熱傳導這個不逆過程使無

10、序程度增加了(2)熱力學第二定律的微觀本質：一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行2熵和熵增加原理(1)熵的定義用來量度系統(tǒng)無序程度的物理量叫做熵(2)熵增加原理在孤立系統(tǒng)中，一切不可逆過程必然朝著熵增加的方向進行，孤立系統(tǒng)是指與外界既沒有物質交換也沒有能量交換的系統(tǒng)3無處不在的熵在熵增加的同時，一切不可逆過程總是使得能量逐漸喪失做功的本領，從可利用狀態(tài)轉化為不可利用狀態(tài)，能量品質退化了，這種現象稱為能量退降1熵是系統(tǒng)內分子運動無序性的量度()2在自然過程中熵總是增加的()3熵值越大代表越有序(×)成語“覆水難收”指一盆水潑出后是不可能再回到盆中的，請結合熵的變化

11、解釋為什么水不會自發(fā)地聚到盆中【提示】由于盆的形狀確定，水在盆中時，空間位置和所占據的空間的體積一定，顯得“有序”“整齊”和“集中”，系統(tǒng)的熵低當把水潑出后，它的形狀不再受盆的限制，各種可能的形狀都有，占據的空間面積和所處的位置都有多種可能，顯得“混亂”“分散”，較為“無序”，系統(tǒng)的熵高水潑出的過程屬于從有序向無序的轉化過程，導致熵的增加，符合熵增加原理反之，水聚到盆中的過程，屬于從無序向有序的轉化，即從高熵向低熵轉化，不符合熵增加原理，因此水不能自發(fā)地聚到盆中探討1：熵的大小與無序性的大小有什么關系？【提示】熵值越大其無序性越大探討2：在自然過程中，孤立系統(tǒng)的熵一定增大嗎？【提示】在自然過程

12、中，孤立系統(tǒng)的熵總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展1對熵的理解(1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，這個系統(tǒng)的熵就越大(2)在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加2對熵增加原理的理解(1)對于孤立的熱力學系統(tǒng)而言，所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進行或者說，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減小這就是熵增加原理(2)從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，熵值越大代表著越無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展4在下列敘述中，正

13、確的是()A熵是物體內分子運動無序程度的量度B對孤立系統(tǒng)而言，一個自發(fā)的過程中熵總是向減少的方向進行C熱力學第二定律的微觀實質是：熵總是增加的D熵值越大，表明系統(tǒng)內分子運動越無序E能量耗散說明能量在不斷減小【解析】熵是物體內分子運動無序程度的量度，系統(tǒng)內分子運動越無序，熵值越大，故A、D正確；對孤立系統(tǒng)而言，一個自發(fā)的過程中熵總是向增加的方向進行，故B錯誤；根據熱力學第二定律，擴散、熱傳遞等現象與溫度有關，凡是與熱現象有關的宏觀過程，都具有方向性，其實質表明熵總是增加的，故C正確；能量耗散是指能量的可利用率越來越低，但能量仍然是守恒的，故E錯誤【答案】ACD5對于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是()A系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小B系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向無序的狀態(tài)發(fā)展D系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展E在自然的可逆過程中，孤立系統(tǒng)的總熵不變【解析】根據熵增加原理，一個孤立系統(tǒng)發(fā)生的實際過程，總熵只能增大，A正確，B錯誤；對于可逆的自然過程，總熵不變，E