第3、4節(jié)　熱力學(xué)第二定律　熵-系統(tǒng)無(wú)序程度的量度

第3、4節(jié)熱力學(xué)第二定律熵——系統(tǒng)無(wú)序程度的量度核心素養(yǎng)點(diǎn)擊物理觀念1.了解熱力學(xué)第二定律的內(nèi)涵。2.知道自然界宏觀過(guò)程的方向性。3.了解熵的概念和熵增加原理。4.了解能量與能源的區(qū)別以及能源的有限性?？茖W(xué)思維1.知道與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程的方向性。2.能用熱力學(xué)第二定律解釋常見的不可逆過(guò)程。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任能依據(jù)道德規(guī)范評(píng)價(jià)物理技術(shù)的應(yīng)用，具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。1．填一填(1)可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程①可逆過(guò)程：一個(gè)系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)某一過(guò)程到達(dá)另一狀態(tài)，如果存在另一過(guò)程，它能使

和

完全復(fù)原，即系統(tǒng)回到原來(lái)的狀態(tài)，同時(shí)消除原來(lái)過(guò)程對(duì)外界的一切影響，則

過(guò)程稱為可逆過(guò)程。②不可逆過(guò)程：如果用任何方法都不能使

與

完全復(fù)原，則原來(lái)的過(guò)程稱為不可逆過(guò)程。系統(tǒng)外界原來(lái)的系統(tǒng)外界(2)熱傳導(dǎo)的方向性①熱量可以自發(fā)地由

物體傳給

物體，或者由物體的

部分傳給____部分。②熱量不能自發(fā)地由

物體傳給

物體，或者由物體的

部分傳給____部分。③熱傳遞是

過(guò)程，具有

。(3)功和熱相互轉(zhuǎn)化的方向性①功轉(zhuǎn)化為熱這一熱現(xiàn)象是

的，具有

。②熱轉(zhuǎn)化為功這一熱現(xiàn)象也是

的，具有

。(4)結(jié)論：凡是與

有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有

。高溫低溫高溫低溫低溫高溫低溫高溫不可逆方向性不可逆方向性不可逆方向性熱現(xiàn)象方向性2．判一判(1)溫度不同的兩個(gè)物體接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體。

(

)(2)一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的微觀自然過(guò)程都是不可逆的。

(

)(3)在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體。

(

)3．想一想兩個(gè)不同的物體接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發(fā)地”的含義是什么？提示：“自發(fā)地”的含義是沒(méi)有任何外界影響或者其他幫助?！獭痢?．填一填(1)克勞修斯表述：不可能使熱量從

傳向

而不引起其他變化。(說(shuō)明熱傳導(dǎo)的方向性)(2)開爾文表述：不可能從

吸取熱量，使之完全用來(lái)

而不引起其他變化。(說(shuō)明機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)(3)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成①第二類永動(dòng)機(jī)是指人們?cè)O(shè)想的從單一熱源吸取

并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他變化的機(jī)器。②熱力學(xué)第二定律也可以表述為：第二類永動(dòng)機(jī)是

實(shí)現(xiàn)的。低溫物體高溫物體單一熱源做功熱量不可能2．判一判(1)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。

(

)(2)第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律。

(

)(3)只要對(duì)內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn)，就可以把內(nèi)燃機(jī)得到的全部?jī)?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(

)√××3．想一想我們假想：發(fā)明一種熱機(jī)，并用來(lái)對(duì)物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而不引起其他變化。這是否可能？提示：熱機(jī)不能把它得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因?yàn)闊釞C(jī)必須有熱源和冷凝器，熱機(jī)工作時(shí)，總要向冷凝器放熱，不可避免地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量Q，即使是理想熱機(jī)，沒(méi)有摩擦，沒(méi)有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。1．填一填(1)有序和無(wú)序：一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的

，有順序地排列即有序；對(duì)個(gè)體的分布沒(méi)有確定的要求，“怎樣分布都可以”即無(wú)序。(2)熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)：與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然發(fā)生的宏觀過(guò)程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度

的方向進(jìn)行。(3)熵：用來(lái)量度系統(tǒng)

的物理量。(4)熵增加原理：在孤立系統(tǒng)中的宏觀過(guò)程必然朝著

的方向進(jìn)行。(5)熵與能量退降：在熵增加的同時(shí)，一切不可逆過(guò)程總是使得能量從

狀態(tài)轉(zhuǎn)化為

狀態(tài)，即能量的品質(zhì)退化了。某種規(guī)則增大無(wú)序程度熵增加可利用不可利用2．判一判(1)對(duì)任何一件事物，如果規(guī)定得越多，限制越多，它的無(wú)序性就越大。

(

)(2)熵值越大，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序。

(

)(3)能量退降使能量的總量減少，違背了能量守恒定律。

(

)×××3．想一想成語(yǔ)“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不可能再倒回盆中的，請(qǐng)從不同宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目不同這個(gè)角度，解釋為什么水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。提示：由于盆的形狀確定，水在盆中所處的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目少，較為有序。當(dāng)把水潑出后，它的形狀不受盆的限制，各種可能的形狀都有，此時(shí)所處的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目將變得非常多，較為無(wú)序。因?yàn)樽园l(fā)的宏觀過(guò)程總是從有序向無(wú)序發(fā)展，所以水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。如圖是熱量在傳遞過(guò)程中的情景。

討論：(1)在自然過(guò)程中熱量是如何傳遞的？提示：熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調(diào)和冰箱是如何傳遞熱量的？提示：空調(diào)和冰箱可以通過(guò)電機(jī)做功，把熱量從溫度比較低的房間內(nèi)或冰箱內(nèi)傳遞到房間外或冰箱外。

[重難釋解]1．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解(1)“不引起其他變化”——外界不需要做功，或者熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而外界及系統(tǒng)都不發(fā)生任何變化。(2)“單一熱源”——指溫度恒定而均勻的熱源。若一熱源各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構(gòu)成機(jī)器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對(duì)外做功。據(jù)報(bào)道，有些國(guó)家已在研究利用海水上下溫度不同來(lái)發(fā)電。(3)“不可能”——實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱源吸收熱量對(duì)外做功，以及熱量從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩匆酝猓^(guò)程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何的辦法都不可能加以消除。2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)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(guò)程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性。3．熱力學(xué)過(guò)程方向性實(shí)例4．熱力學(xué)第二定律的其他表述(1)一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過(guò)程都具有方向性。(2)第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。[解析]在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺(tái)正在工作的電冰箱的門打開，消耗了電能，產(chǎn)生了焦耳熱，所以房間溫度不僅不能降低還會(huì)升高，故A不可能發(fā)生；蒸汽機(jī)不可能把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，轉(zhuǎn)化過(guò)程中必然存在能量耗散，故B不可能發(fā)生；一個(gè)在粗糙的水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體最終要停下來(lái)，物體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C可能發(fā)生；在熱傳導(dǎo)中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，D可能發(fā)生。[答案]

AB對(duì)熱力學(xué)第二定律理解的兩個(gè)誤區(qū)(1)誤認(rèn)為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體，不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，也可以由低溫物體傳到高溫物體；但是，前者可以自發(fā)完成，而后者則必須有外界參與。(2)誤認(rèn)為機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；但是，前者可以不產(chǎn)生其他影響，而后者一定會(huì)產(chǎn)生其他影響。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)下列說(shuō)法正確的是

(

)A．一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過(guò)程都具有方向性B．一切不違背能量守恒定律的物理過(guò)程都是可能實(shí)現(xiàn)的C．由熱力學(xué)第二定律可以判斷涉及熱現(xiàn)象的物理過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行D．一切物理過(guò)程都不可能自發(fā)地進(jìn)行解析：由熱力學(xué)第二定律知，一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過(guò)程都是具有方向性的，A正確；第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但是不能實(shí)現(xiàn)，B錯(cuò)誤；在熱傳遞過(guò)程中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但其逆過(guò)程不可能自發(fā)地進(jìn)行，C正確，D錯(cuò)誤。答案：AC

2．關(guān)于永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)定律，下列敘述正確的是

(

)A．第二類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律B．如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內(nèi)能一定增加C．外界對(duì)物體做功，則物體的內(nèi)能一定增加D．做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)來(lái)看，這兩種改變方式是有區(qū)別的解析：第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律，并不違背能量守恒定律，故A錯(cuò)誤；據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W知，內(nèi)能的變化由做功和熱傳遞兩個(gè)方面共同決定，只知道做功情況或只知道傳熱情況無(wú)法確定內(nèi)能的變化情況，故B、C錯(cuò)誤；做功和熱傳遞都可改變物體內(nèi)能，但做功是不同形式能的轉(zhuǎn)化，而熱傳遞是同種形式能的轉(zhuǎn)移，這兩種方式是有區(qū)別的，故D正確。答案：D

3．(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說(shuō)法正確的是

(

)A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，但熱能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，熱能也可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能解析：由熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述知，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)，也可以使熱量從低溫物體傳到高溫物體，冰箱就是這樣的裝置，故A錯(cuò)誤，B正確；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如在水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體，克服摩擦阻力做功，最終靜止，這個(gè)過(guò)程中機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如在等溫膨脹過(guò)程中，系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外界做的功，故C錯(cuò)誤，D正確。答案：BD

交通與工業(yè)廢氣及噪聲對(duì)環(huán)境的污染；工業(yè)和生活垃圾、廢水對(duì)環(huán)境的污染；交通擁擠和堵塞造成的道路混亂。以上現(xiàn)象中的熵是怎么變化的？提示：熵增加。

[重難釋解]1．熵和熵增加原理(1)熵是反映系統(tǒng)無(wú)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(wú)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(wú)序程度增加的方向發(fā)展，至少無(wú)序程度不會(huì)減少。也就是說(shuō)，系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是由熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行。從熵的意義上來(lái)說(shuō)，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(huì)使熵減小。(3)任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有一定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過(guò)程中產(chǎn)生或傳遞。2．熱力學(xué)第二定律的微觀意義(1)熱力學(xué)第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過(guò)程都只能在一個(gè)方向上發(fā)生，而不會(huì)可逆地在相反的方向上出現(xiàn)。它指出在能量得以平衡的眾多過(guò)程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生。(2)自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過(guò)程都是不可逆的，宏觀自發(fā)過(guò)程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時(shí)間的方向性。所以，“熵”又常常被稱為“時(shí)間箭頭”。[解析]熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度，系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)越無(wú)序，熵值越大，故A、C正確；對(duì)孤立系統(tǒng)而言，一個(gè)自發(fā)的過(guò)程中熵總是向增加的方向進(jìn)行，故B錯(cuò)誤；能量退降是指能量的可利用率越來(lái)越低，但能量仍然是守恒的，故D錯(cuò)誤。[答案]

AC熵的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)(1)熵是表示一個(gè)體系自由度的物理量。熵越大，表示在這個(gè)體系下的自由度越大，可能達(dá)到的狀態(tài)越多。(2)熵不是守恒的量，在孤立體系中經(jīng)過(guò)一個(gè)不可逆過(guò)程，熵總是增加的。

(3)熵改變的過(guò)程中，能量必然是守恒的。(4)一個(gè)孤立系統(tǒng)的自然可逆過(guò)程中，總熵不變。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B．一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行C．有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行D．在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小解析：從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過(guò)程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行，我們知道熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，故A正確，B、C錯(cuò)誤；任何自然過(guò)程總是朝著無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行，也就是朝著熵增加的方向進(jìn)行，故D正確。答案：AD

2．(多選)下列說(shuō)法中不正確的是

(

)A．在任何自然過(guò)程中，一切參與者的總能量和總熵保持不變B．熵?zé)o處不在，是系統(tǒng)有序程度的量度C．一切不可逆過(guò)程在熵增加的同時(shí)，總是伴隨著能量退降D．由熱力學(xué)第二定律可知，自然界的能量品質(zhì)正在退化，可利用的能量越來(lái)越少解析：在任何自然過(guò)程中由能量守恒可知，一切參與者的總能量保持不變，由熵增加原理知熵增加，故A錯(cuò)誤；熱力學(xué)系統(tǒng)的每一個(gè)過(guò)程，都有一個(gè)熵值，它是用來(lái)量度系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量，故B錯(cuò)誤；熵增加的同時(shí)，一切不可逆過(guò)程總是使能量逐漸喪失做功的本領(lǐng)，從可用狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不可用狀態(tài)，使可利用的能量越來(lái)越少，故C、D正確。答案：AB

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維(選自人教版新教材課后練習(xí))以下哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生、哪些不能發(fā)生？能夠發(fā)生的現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律？(1)一杯熱茶自然放置，茶會(huì)自動(dòng)變得更熱。(2)蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。(3)桶中混濁的泥水在靜置一段時(shí)間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動(dòng)分離。(4)電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體。提示：(1)不能發(fā)生。因?yàn)闊醾鬟f具有方向性。(2)不能發(fā)生。因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)化具有方向性。(3)能發(fā)生。不違背熱力學(xué)第二定律。(4)能發(fā)生。該過(guò)程是通過(guò)壓縮機(jī)做功實(shí)現(xiàn)熱量從低溫物體傳到高溫物體，不違背熱力學(xué)第二定律。二、注重學(xué)以致用和思維建模1.17世紀(jì)70年代，英國(guó)賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設(shè)計(jì)了一種磁力“永動(dòng)機(jī)”，其結(jié)構(gòu)如圖所示，在斜面頂端放一塊強(qiáng)磁鐵M，斜面上、下端各有一個(gè)小孔P、Q，斜面下有一個(gè)連接兩小孔的彎曲軌道。維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底放一個(gè)鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會(huì)沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)球運(yùn)動(dòng)到P孔時(shí)，它會(huì)漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時(shí)球具有速度所以可以對(duì)外做功，然后鐵球又被磁鐵吸引回到上端，到P處又漏下……對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，下列判斷正確的是

(

)A．滿足能量守恒定律，所以可行B．不滿足熱力學(xué)第二定律，所以不可行C．不滿足機(jī)械能守恒定律，所以不可行D．不滿足能量守恒定律，所以不可行解析：該裝置可以持續(xù)不斷地對(duì)外做功，違背了能量守恒定律，故不可行，D正確。答案：D

2．(多選)如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．電冰箱消耗電能，其制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱