5.3热力学第二定律-5.4熵——无序程度的量度 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-3）

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1、第第 3 节节 热力学第二定律热力学第二定律 第第 4 节节 熵熵无序程度的量度无序程度的量度 目标定位 1.了解自然过程的方向性.2.知道热力学第二定律的表述并能用于解 释第二类永动机不可能制成的原因.3.了解熵的概念及熵增加原理， 并能解释生活 中的有关现象. 一、自然过程的方向性 1.可逆过程和不可逆过程 (1)可逆过程：系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则 原来的过程称为可逆过程. (2)不可逆过程：如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来过程称 为不可逆过程. 2.热传导的方向性 (1)热量可以自发地由高温物体传给低温物体. (2)热量不能自发地由低温物体

2、传给高温物体，而不引起其他变化. (3)热传递是不可逆过程，具有方向性. 3.功和热相互转变的方向性 (1)功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性. (2)热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性. 4.结论 凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性. 二、热力学第二定律的表述 1.第一种表述(克劳修斯表述) 不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化.(说明热传递的方向 性) 2.第二种表述(开尔文表述) 不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化.(说明机械 能与内能转化的方向性) 3.第二类永动机不可能制成 (1)第二类永动机是指人们设想的从单一热源吸取热

3、量并使之完全转化为功而不 产生其他影响的机器. (2)热力学第二定律也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的. 三、熵和熵增加原理 1.定义：用来量度系统无序程度的物理量叫做熵. 2.熵增加原理：在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行.孤立 系统是指与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统. 一、对热力学第二定律的理解 1.两种表述的实质 (1)克劳修斯表述指明热传递等热学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能 量的帮助，其物理实质是揭示了热传递过程是不可逆的. (2)开尔文表述中的“单一热源”指温度恒定而均匀的热源.“不引起其他变化” 是指唯一效果是热量全部转变为功，而外界及系

4、统都不发生任何变化.其物理实 质揭示了热变功过程是不可逆的. 2.热力学第二定律的普遍性 热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性， 进而 使人们认识到自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性， 都是不可逆 的. 【例 1】 根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是( ) A.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 B.没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而 不引起其他变化的热机是可以实现的 C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化 D.不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起

5、其他变化 答案 AD 解析 热力学第二定律揭示了与热现象有关的宏观物理过程的方向性， 机械能和 内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要转化为机械 能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，选项 A 正确，B 错误；热传递过 程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物 体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故选项 C 错误，D 正 确. 借题发挥 (1)一切物理过程均遵守能量转化与守恒定律，但遵守能量守恒的物 理过程不一定均能实现. (2)热力学第二定律的关键在于“自发性”和“方向性”. 针对训练 关于空调机，下列说法正确的是( )

6、 A.制冷空调机工作时，热量从低温物体传到高温物体 B.制暖空调机工作时，热量从高温物体传到低温物体 C.冷暖空调机工作时，热量既可以从低温物体传到高温物体，也可以从高温物体 传到低温物体 D.冷暖空调机工作时，热量只能从低温物体传到高温物体 答案 ABC 解析 空调机工作时， 热量可以从低温物体传到高温物体， 因为这里有外界做功. 二、热力学第一定律与热力学第二定律的比较 1.两个定律比较 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中， 总的能量不变.热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关 的宏观物理过程、化学过程具有不可逆性. 2.两类永动机的比较

7、 第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后， 可以永远运动下去).它违背了能量守恒定律. 第二类永动机： 将内能全部转化为机械能， 而不引起其他变化(或只有一个热源， 实现内能与机械能的转化).它违背了热力学第二定律. 【例 2】 下列说法正确的是( ) A.物体吸收热量，其温度一定升高 B.热量只能从高温物体向低温物体传递 C.遵守热力学第一定律的过程一定能实现 D.做功和热传递是改变物体内能的两种方式 答案 D 解析 物体吸热，温度不一定升高，A 错误；热量只能自发地从高温物体向低温 物体传递，B 错误；遵守热力学第一定律的过程不一定能实现，C 错误，D 正确.

8、 借题发挥 热力学第一定律和热力学第二定律的应用技巧 (1)应用热力学第一定律，一定要考虑改变物体内能的两种方式，只有做功和热 传递两方面都确定，才能确定物体内能的变化. (2)热力学第二定律的理解，关键是对热现象宏观过程的方向性的理解，要抓住 “自发”和“不引起其他变化”等所表述的物理意义. (3)凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性，机械能可全部转化成内能，而 内能不能全部转化成机械能，而不引起其他变化. 【例 3】 关于热力学第二定律，下列说法中正确的是( ) A.热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律 B.热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律 C.热力学第

9、二定律是物理学家从理论推导得出来的结果 D.由于热力学第二定律没有理论和实验的依据，因此没有实际意义 答案 B 解析 热力学第二定律是物理学家通过对大量自然现象的分析， 又总结了生产和 生活经验而得到的结论，是一个经验定律，它并不能通过理论和实验来证明，但 它符合客观事实，因此是正确的.它显示了宏观过程的方向性，使人们认识到第 二类永动机不可能制成，对于我们认识自然和利用自然有着重要的指导意义.选 项 B 正确. 三、对熵和熵增加原理的理解 1.对熵的理解 (1)熵是反映系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的 熵就越大. (2)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，

10、如果过程可逆，则熵不 变；如果过程不可逆，则熵增加. 2.对熵增加原理的理解 (1)对于孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程， 因此，总是朝着熵增加的方向进行.或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小.这 就是熵增加原理. (2)从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统总是从熵 小的状态向熵大的状态发展，熵值越大代表着越无序，所以自发的宏观过程总是 向无序程度更大的方向发展. 【例 4】 下列关于熵的观点中正确的是( ) A.熵越大，系统的无序度越大 B.对于一个不可逆绝热过程，其熵总不会减小 C.气体向真空扩散时，熵值减小 D.自然过程中熵总是增加的，

11、 是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多 答案 ABD 解析 熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，选项 A 正 确；一个不可逆的绝热过程，其宏观状态对应微观态数目增大，其熵会增加，不 会减小，选项 B 正确；气体向真空中扩散，无序度增大，熵值增大，选项 C 错 误； 自然过程中， 无序程度较大的宏观态出现的概率大， 因而通向无序的渠道多， 选项 D 正确. 借题发挥 热力学第二定律的微观本质是一切不可逆过程总是沿着大量分子热 运动无序程度增大的方向进行. (1)这说明一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的，具有方向性. (2)熵增加原理是对自然过程的一种限制. (3)对于任

12、何自然过程，总能量必定守恒，总熵必定增加. 对热力学第二定律的理解及应用 1.下列过程中可能发生的是( ) A.某种物质从高温热源吸收 20 kJ 的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他 任何影响 B.打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发跑进去，恢复原状 C.利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高 D.将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开 答案 C 解析 根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而 不产生其他的影响，但通过一些物理手段是可以实现的，故 C 项正确；要使内 能全部转化为机械能必定要引起其他变化， 故 A 项错误； 气体膨胀具有

13、方向性， 故 B 项错误；扩散现象也有方向性，故 D 项错误. 两个热力学定律的理解应用 2.关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是( ) A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化， 而热力学第二定律则 指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的 B.内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛 盾 C.两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别 D.其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律 答案 B 解析 热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系， 是能量守恒 定律在热学

14、中的具体体现.热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量 转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故选 项 C、D 错误，B 正确；内能在一定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以 由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作还要消 耗电能，故选项 A 错误. 3.关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是( ) A.随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现 热机效率 100% B.热量是不可能从低温物体传递给高温物体的 C.第二类永动机遵守能量守恒，故能做成 D.用活塞压缩气缸里的空气，对空气做功 2.0105 J，

15、同时空气向外界放出热量 1.5105 J，则空气的内能增加了 0.5105 J 答案 D 解析 由热力学第二定律知，B、C 错误；绝对零度是不可能达到的，A 错误； 由热力学第一定律知 D 正确. 熵增加原理 4.关于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是( ) A.系统的总熵只能增大，不可能减小 B.系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小 C.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展 D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展 答案 AC 解析 在孤立体系中发生的实际过程， 其系统的总熵总是增加的， 它不可能减小， 故 A 正确，B 错误；根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无 序的状态发展，故 C 正确，D 错误.