《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》設(shè)計(jì) 一等獎(jiǎng)

《熱力學(xué)第二定律的微觀解釋》教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)：（一）知識(shí)與技能了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。（二）過程與方法通過對微觀狀態(tài)和宏觀狀態(tài)的分析，理解熵的意義。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀通過對熱力學(xué)第二定律微觀意義的探究，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的動(dòng)力。教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的微觀意義。教學(xué)難點(diǎn)：對熵和熵增加原理的理解。教學(xué)過程：【指路問津】（1）從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律研究的是在自然狀態(tài)下構(gòu)成物質(zhì)的大量分子的運(yùn)動(dòng)趨勢，分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越來越接近相同，接近平均值，通過本節(jié)課文的學(xué)習(xí)，你認(rèn)為這個(gè)觀點(diǎn)對嗎？（2）熵用來描述什么物理現(xiàn)象的？能否說熵是量度系統(tǒng)中大量分子作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度？它的物理意義是什么？【典型例題】1．電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，這說明了A．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B．在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C．熱量的傳導(dǎo)過程不具有方向性D．在自發(fā)地條件下熱量的傳導(dǎo)過程具有方向性[精與解]我們知道，一切自發(fā)過程都有方向性，如熱傳導(dǎo)，熱量總是由高溫物體傳向低溫物體；又如擴(kuò)散，氣體總是由密度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散。如果在外界幫助下氣體可以由密度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，電冰箱就是借助外力做功把熱量從低溫物體─冷凍食品傳向高溫物體─周圍的大氣。所以，在回答熱力學(xué)過程的方向問題時(shí)，要區(qū)分是自發(fā)過程還是非自發(fā)過程，電冰箱內(nèi)熱量傳遞的過程是有外界參與的。本題答案是A錯(cuò)B對C錯(cuò)D對。[解后思]熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述說明了內(nèi)能轉(zhuǎn)移過程的方向性；開爾文表述體現(xiàn)了機(jī)械能和內(nèi)能之間轉(zhuǎn)化的方向性，得出了第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的結(jié)論。定律的實(shí)質(zhì)是說明了一切自發(fā)過程的方向性、不可逆性，其功用是可以判斷一切過程進(jìn)行的方向和限度。熱力學(xué)第一定律說的是過程必須滿足能量守恒定律，而熱力學(xué)第二定律則說明過程能否實(shí)現(xiàn)。二者是相輔相成、缺一不可的。2．下面關(guān)于熵的說法錯(cuò)誤的是A．熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序程度的量度B．在孤立系統(tǒng)中，一個(gè)自發(fā)的過程總是向熵減少的方向進(jìn)行C．熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是熵是增加的，因此熱力學(xué)第二定律又叫熵增加原理D．熵值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無序[精與解]熱力學(xué)第二定律提示：一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行的。例如，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C(jī)械能或電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的過程是大量分子的有序運(yùn)動(dòng)向無序運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，氣缸內(nèi)燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功燃?xì)夥肿幼饔行蜻\(yùn)動(dòng)，排出氣缸后作越來越無序的運(yùn)動(dòng)。物理學(xué)中用熵來描述系統(tǒng)大量分子運(yùn)動(dòng)的無序性程度。熱力學(xué)第二定律用熵可表述為：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，也就是說，一個(gè)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。反映了一個(gè)孤立系統(tǒng)的自然過程會(huì)沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行?？v上所述可知A、C、D說法是正確的，只有B說法與熱力學(xué)第二定律相悖。[解后思]熵是從微觀角度給出系統(tǒng)內(nèi)的大量分子熱運(yùn)動(dòng)無序性的數(shù)學(xué)量度，課本上所說的“一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目”是涉及大量分子無序化程度的規(guī)律，所以是一條統(tǒng)計(jì)規(guī)律。熵S＝klnΩ中，Ω就是“微觀態(tài)”可能出現(xiàn)的概率（或幾率），一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目越大，出現(xiàn)的概率越高，實(shí)際上能夠觀察到的宏觀狀態(tài)就是在一定宏觀條件下出現(xiàn)的概率最大的狀態(tài)?！倦A梯訓(xùn)練】[梯次一]１．關(guān)于有序和無序下列說法正確的是（）A．有序和無序不是絕對的B．一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對應(yīng)著許多的“微觀態(tài)”C．一個(gè)“宏觀態(tài)”對應(yīng)著唯一的“微觀態(tài)”D．無序意味著各處一樣、平均、沒有差別2．根據(jù)熱力學(xué)第二定律判斷，下列說法正確的是（）A．內(nèi)能可以自發(fā)的轉(zhuǎn)變成機(jī)械能B．?dāng)U散的過程完全可逆的C．火力發(fā)電時(shí)，燃燒物質(zhì)的內(nèi)能不可以全部轉(zhuǎn)化為電能D．熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體3．倒一杯熱水，然后加入適當(dāng)?shù)奶呛?，糖?huì)全部溶于水中，但一段時(shí)間后又觀察到杯底部有糖結(jié)晶，關(guān)于這個(gè)過程下列敘述正確的是（）A．溶解過程是自發(fā)的，結(jié)晶過程也是自發(fā)的，因此熱力學(xué)第二定律是錯(cuò)誤的B．溶解過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程C．結(jié)晶過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程D．結(jié)晶過程不是自發(fā)的，因?yàn)橛型饨绲挠绊?．下列說法正確的是()A．如果大量分子的集合從A分布進(jìn)入B分布的概率大于從B分布進(jìn)入A分布，則B分布更無序B．如果大量分子的集合從A分布進(jìn)入B分布的概率大于從B分布進(jìn)入A分布，則A分布更無序C．大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進(jìn)入B分布，則該過程是可逆的D．大量分子的集合能自發(fā)地從A分布進(jìn)入B分布，則該過程是不可逆的5．一個(gè)密閉的容器內(nèi)有稀薄氣體，在容器上開一個(gè)小口，外部的空氣就會(huì)流入容器，在氣體流入過程中，容器內(nèi)靠近開口處的空氣密度暫時(shí)變得比內(nèi)部大，以下說法正確的是（）A．此時(shí)容器內(nèi)氣體處于一個(gè)不平衡狀態(tài)，是一個(gè)最無序的狀態(tài)B．外界的影響破壞了容器內(nèi)氣體的平衡C．上面事實(shí)說明熱力學(xué)第二定律只適用于封閉系統(tǒng)D．對一個(gè)開放系統(tǒng)并不一定是最無序的分布6．下列關(guān)于熱現(xiàn)象的說法，正確的是（）A．外界對物體做功，物體的內(nèi)能一定增加B．物體的溫度可以一直降低到絕對零度C．任何條件下，熱量都不會(huì)由低溫物體傳遞到高溫物體D．任何熱機(jī)都不可能使燃料釋放的熱量完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能7．關(guān)于熱力學(xué)第二定律的理解下列正確的是（）A．宏觀與熱有關(guān)的自發(fā)的物理過程都是不可逆的B．所有熱過程都是從有序變?yōu)闊o序C．熵增加原理說明自然的物理過程具有方向性D．熱運(yùn)動(dòng)是一種最無序的運(yùn)動(dòng)，內(nèi)能是最無序運(yùn)動(dòng)所對應(yīng)的能量，因此機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，但不可能將內(nèi)能100?全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能8．下列關(guān)于熱力學(xué)定律的表述正確的是（）A．熱力學(xué)零度不可達(dá)到B．不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化C．其數(shù)學(xué)表達(dá)式是△U=Q+WD．能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中總量保持不變9．1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授與朱棣文等三人，以表彰他們在激光冷卻和捕獲原子的方法上所作出的貢獻(xiàn)。目前已應(yīng)用激光將原子的溫度冷卻到10-12K的數(shù)量級(jí)，已經(jīng)非常接近0K，下列關(guān)于”0K”說法中正確的是( )A．0K即0℃，隨著科學(xué)的發(fā)展是可以達(dá)到的B．0K即0℃，只能無限接近,但不可能達(dá)到C．0K即絕對零度，隨著科學(xué)的發(fā)展是可以達(dá)到的D．0K即絕對零度，只能無限接近，但不可能達(dá)到10．下列所述過程是可逆的，還是不可逆的?如果是可逆過程請?jiān)冢ǎ┲写颉?”(1)汽缸與活塞組合中裝有氣體，當(dāng)活塞上沒有外加壓力，活塞與汽缸間沒有摩擦?xí)r。（）(2)上述裝置，當(dāng)活塞上沒有外加壓力，活塞與汽缸上摩擦很大，使氣體緩慢地膨脹時(shí)。（）(3)上述裝置，沒有摩擦，但調(diào)整外加壓力，使氣體能緩慢地膨脹時(shí)。（）(4)在一絕熱容器內(nèi)盛有液體，不停地?cái)噭?dòng)它，使它溫度升高。（）(5)一傳熱的容器內(nèi)盛有液體，容器放在一恒溫的大水池內(nèi)，液體不停地?cái)噭?dòng)，可保持溫度不變。（）(6)在一絕熱容器內(nèi)，不同種類的液體進(jìn)行混合。（）(7)在一絕熱容器內(nèi)，不同溫度的氦氣進(jìn)行混合。（）[梯次二]11．根據(jù)熱力學(xué)定律可知，下列說法中正確的是（）A．“永動(dòng)機(jī)”是可能制成的B．一切宏觀熱力學(xué)過程都具有方向性C．關(guān)于自然過程的方向性可以這樣表：即在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小D．熱力學(xué)第二定律與能量守恒定律是相互矛盾的12．下列關(guān)于熱現(xiàn)象的論述中，正確的是（）A．給自行車車輪打氣時(shí)，要克服空氣分子間的斥力來壓活塞B．布朗運(yùn)動(dòng)的劇烈程度與溫度的高低無關(guān)C．隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物體的溫度可以降低到絕對零度D．熱機(jī)的效率不可能提高到100%，因?yàn)樗`背熱力學(xué)第二定律13．下列說法正確的是（）A．熱力學(xué)第二定律只在一定前提條件下才能成立B．熱力學(xué)第二定律揭示了一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行C．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性D．熱力學(xué)第二定律揭示了有大量分子參與宏觀過程的方向性14．下列說法正確的是（）A．與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程是有方向性的B．與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程是熵增加的過程C．氣體擴(kuò)散現(xiàn)象向著無序性增加的方向進(jìn)行,是可逆過程D．機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是系統(tǒng)的熵增加的過程15．從微觀角度看（）A．熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B．一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵大的狀態(tài)向熵小的狀態(tài)發(fā)展C．一個(gè)宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)越多，越是無序，熵值越大D．出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大16．下列說法中正確的是（）A．在絕對零度附近所有分子都將停止運(yùn)動(dòng)B．在自然條件下，熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體C．熱力學(xué)溫度每一度的大小跟攝氏溫度的每一度大小相同D．隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物體的溫度可以降低到絕對零度17．關(guān)于熱力學(xué)第二定律有一下四種說法：②③熱力學(xué)第二定律使我們認(rèn)識(shí)到：熱量不可能由低溫物體傳遞到高溫物體；④第二類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律和熱力學(xué)第二定律，因此不可能制成。上述說法中正確的是()A．②B．②③C．①④D．①③④18．（1）在一套二居室的單元中，放一只蜜蜂，這只蜜蜂出現(xiàn)在左房間的幾率是多少？（2）放四只蜜蜂，四只蜜蜂都出現(xiàn)在左房間、三只蜜蜂都出現(xiàn)在左房間、二只蜜蜂都出現(xiàn)在左房間的幾率各是多少？（3）在上面的情況下請找出哪一種分布是最無序的分布？你需要多少只蜜蜂才能說“最無序的分布將是最持久的平衡”？19．一絕熱容器被隔板分為體積相等的兩部分，一邊是nmol的空氣，一邊為真空。突然將隔板抽掉，氣體向真空自由膨脹，最后充滿整個(gè)容器，如圖所示。求封閉系統(tǒng)在此過程中：（1）初、末狀態(tài)的熵；（2）熵的變化。(阿伏伽德羅常數(shù)為NA)提示：系統(tǒng)的一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目越大，出現(xiàn)的概率就越大。例如，考慮容器中某一個(gè)分子的情況，膨脹后在整個(gè)容器中的概率為Ω＝1，在左、右兩側(cè)的概率為Ω＝1/2；第二個(gè)分子的概率和第一個(gè)分子的分布一樣，所以兩個(gè)分子都在左邊的概率為Ω＝（1/2）2；加入第三個(gè)分子算，它單獨(dú)在左的概率也為Ω＝1/2，三個(gè)分子都在左側(cè)的概率分布為Ω＝（1/2）3；所以四個(gè)分子都在左側(cè)的概率分布為Ω＝（1/2）4，以此類推，系統(tǒng)中有N個(gè)分子，所有分子都在左邊的概率為Ω＝（1/2）N[參考答案]1．ABD2．CD3．BD4．AD5．BCD6．D7．ACD8．A9．D10．(1)發(fā)生自由膨脹，則是不可逆過程.(2)有摩擦發(fā)生，也是不可逆過程.(3)是準(zhǔn)靜態(tài)無摩擦的膨脹，則為可逆過程.