物理粵教版選修3-3學(xué)案第三章第四節(jié)熱力學(xué)第二定律

第四節(jié)熱力學(xué)第二定律1．了解自然界中宏觀過程的方向性．2．了解什么是第二類永動(dòng)機(jī)，為什么第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成．3．了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實(shí)質(zhì)．4．了解熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)．5．了解熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量．水從高山流到河谷，不可能自己再返回高處；一滴墨水滴入一杯清水，會均勻地?cái)U(kuò)散開來，不可能再自動(dòng)地凝成一滴墨水……這些現(xiàn)象說明了什么道理？提示：自然界的宏觀過程不可能自動(dòng)地逆向進(jìn)行，要使它們逆向進(jìn)行，就必須由外界對它們施加作用．一、熱傳導(dǎo)的方向性兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí)，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但不會自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體．這說明：熱傳導(dǎo)過程是有方向性的．二、機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性1．機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程具有方向性，即機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是可以自發(fā)進(jìn)行的，內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程，是不能自發(fā)進(jìn)行的，要將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，必然會引起其他影響．2．第二類永動(dòng)機(jī)(1)定義：從單一熱源吸熱全部用來做功，而不引起其他變化的熱機(jī)．(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成．原因是內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是不可能自發(fā)進(jìn)行的．三、熱力學(xué)第二定律的表述1．第一種表述(克勞修斯表述)：熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳遞到高溫物體．或者說，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．(按照熱傳導(dǎo)的方向性來表述)2．第二種表述(開爾文表述)：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化．(按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述)熱力學(xué)第二定律的這兩種表述是等價(jià)的．3．自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然過程都具有方向性．四、熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)1．做功總是與分子群體的有序運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起，內(nèi)能是和分子的無序運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的．機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，從微觀上來說，是大量分子的有序運(yùn)動(dòng)朝無序運(yùn)動(dòng)的方向轉(zhuǎn)換的過程；其相反方向的過程是大量分子從無序運(yùn)動(dòng)朝有序運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換的過程．2．熱傳導(dǎo)過程是使物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)由比較有序的狀態(tài)向無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程．3．熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是：與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程，總是朝著分子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無序性增加的方向進(jìn)行的．五、熵意義：描述物體的無序程度，物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)無序程度越高，物體的熵就越大．一、熱力學(xué)第二定律及其微觀解釋1．在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自動(dòng)”“不引起其他變化”的含義“自動(dòng)”指明了熱傳遞等力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助．“不引起其他變化”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響．如吸熱、放熱、做功等．2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行．二、兩類永動(dòng)機(jī)的比較分類第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動(dòng)后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個(gè)熱源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)不可能的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學(xué)第二定律看一種熱機(jī)設(shè)計(jì)方案是否可行，不僅要看是否遵守能量守恒定律，還要看是否滿足熱力學(xué)第二定律．三、熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律有何關(guān)系？1．熱力學(xué)第一定律揭示了做功和熱傳遞對改變物體內(nèi)能的規(guī)律關(guān)系ΔU＝W＋Q，指明內(nèi)能不但可以轉(zhuǎn)移，而且還能跟其他形式的能相互轉(zhuǎn)化．熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的一種表述形式，是從能的角度揭示不同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的可能性．告誡人們：第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成．熱力學(xué)第一定律只有一種表述形式．2．熱力學(xué)第二定律揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性．如機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化．告誡人們：第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成．熱力學(xué)第二定律有多種表述形式．3．兩定律的關(guān)系：熱力學(xué)第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程中能量守恒的特殊表達(dá)形式，說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系，而第二定律指出了能量守恒能否實(shí)現(xiàn)的條件和過程進(jìn)行的方向，指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響．所以二者相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充．四、熵的概念1．熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動(dòng)能大小一樣．系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個(gè)系統(tǒng)的熵越大．2．系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少．也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是從熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行．從熵的意義上說，系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會使熵減少．類型一熱力學(xué)第二定律的理解和應(yīng)用【例題1】下列說法中正確的是()A．機(jī)械能全部變成內(nèi)能是不可能的B．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造成功的原因是能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式C．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體D．從單一熱源吸收的熱量全部變成功是可能的解析：本題考查熱力學(xué)第二定律．由熱力學(xué)第二定律可知選項(xiàng)C錯(cuò)誤．可以從單一熱源吸收熱量全部變成功，但必定會引起其他變化，選項(xiàng)D正確．機(jī)械能可通過克服摩擦全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，選項(xiàng)A錯(cuò)誤．第二類永動(dòng)機(jī)沒有違背能量守恒定律，而是違反了熱力學(xué)第二定律，因而不能制成，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．答案：D題后反思：本題易錯(cuò)選C.原因是忽略了在“引起其他變化”時(shí)，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體．類型二熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的對比【例題2】關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列論述中正確的是()A．熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的B．內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會產(chǎn)生其他影響，故兩條定律并不矛盾C．兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì)區(qū)別D．其實(shí)，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律點(diǎn)撥：準(zhǔn)確透徹地理解熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的幾種表達(dá)方式是解答本題的關(guān)鍵．解析：熱力學(xué)第一定律揭示了內(nèi)能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是能量守恒定律在熱學(xué)中的具體體現(xiàn)．熱力學(xué)第二定律則進(jìn)一步闡明了內(nèi)能與其他形式能量轉(zhuǎn)化時(shí)的方向性，二者表述的角度不同，本質(zhì)不同，相互補(bǔ)充，并不矛盾，故C、D項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；內(nèi)能在一定條件下可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，熱量也可以由低溫物體傳遞到高溫物體，但是要引起其他變化，如電冰箱制冷機(jī)工作還要消耗電能，故A項(xiàng)錯(cuò)誤．答案：B1我們絕不會看到這樣的現(xiàn)象：一個(gè)放在水平地面上的物體，靠降低溫度，把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來．其原因是()A．違反了能量守恒定律B．在任何條件下內(nèi)能不可能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，只有機(jī)械能才能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能C．機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能是有條件的D．以上說法均不正確解析：機(jī)械能和內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化，必須通過做功來實(shí)現(xiàn)．熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的不可逆性，使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．所以只有C項(xiàng)正確．答案：C2(雙選)下列說法中正確的是()A．熱傳導(dǎo)的過程是有方向性的B．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，因?yàn)樗`反了能量守恒定律C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性D．熱力學(xué)第二定律表明，所有的物理過程都具有方向性解析：根據(jù)熱力學(xué)第二定律和實(shí)驗(yàn)事實(shí)都可以說明，熱傳導(dǎo)的過程是有方向性的，熱量可以從高溫物體自發(fā)地傳給低溫物體，卻不能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體，所以選項(xiàng)A正確．第二類永動(dòng)機(jī)是一種熱機(jī)，它希望能夠從單一熱源吸熱全部用來做功而不引起其他任何的變化，這種設(shè)想并不違反能量守恒定律，但違反熱力學(xué)第二定律，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤，選項(xiàng)C正確．熱力學(xué)第二定律指出了所有與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過程都具有方向性，并不是所有的物理過程都具有方向性，因此選項(xiàng)D的說法錯(cuò)誤．答案：AC3根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷中不正確的是()A．電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能B．在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔蹸．熱機(jī)中