5.1能源与人类生存的关系-5.2能源利用与环境问题-5.3可持续发展战略 学案（2020年教科版高中物理选修3-3）

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1、4.4 热力学第二定律热力学第二定律 4.5 初识熵初识熵 学习目标 1.了解热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机 不能制成的原因.2.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题.3. 了解有序和无序是相对的，知道熵的概念.4.了解熵增原理，知道它是热力学第二定律的另一 种表述 一、热力学第二定律 1热力学第二定律的两种表述 (1)克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响阐述的是热 传递的方向性 (2)开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量使之全部变为有用的功而不产生其他影响阐述 的是机械能与内能转化的方向性 2两种表述是等

2、效的 两种表述看上去似乎没有联系， 然而实际上它们是等效的， 即由其中一个可以推导出另一个 3热力学第二定律的其他描述 (1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性 (2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的 (3)第二类永动机是不可能(填“可能”或“不可能”)制成的 4热力学第二定律的实质 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，使人们认识到 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 5第二类永动机 (1)定义：假设某一系统吸收空气或海水中的热量，对外部做有用功，而又返回到初态如此 周而复始地反复进行，永不停止，该系统称为第二类永动机 (2)不可能制成的原因： 不违反

3、能量守恒定律， 但违反了热力学第二定律 (均填“违反”或“不 违反”) 二、初识熵 1对熵的认识 (1)方向性 不可逆过程总是系统从有差异的状态向无差异的均匀状态过渡，从有规则向无规则过渡，从 集中向分散过渡 (2)有序、无序 把系统的有差异的不均匀、有规则、集中说成有序，把系统的无差异的均匀、无规则、分散 说成无序 (3)熵 代表系统的无序性程度无序性大，熵大；无序性小，熵小 2熵增原理 (1)内容 孤立系统的熵总是增加的，或者孤立系统的熵总不减少 (2)公式 S 表示过程中熵的变化，则熵增原理可以表示为：S0. S0 表示系统处于平衡态，S0 表示孤立系统的任何一个过程熵总是增加的 (3)

4、适用条件：孤立系统 即学即用 1判断下列说法的正误 (1)可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功() (2)第二类永动机违背了能量守恒定律() (3)第二类永动机违背了热力学第二定律() (4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的() (5)熵值越大代表着越有序() (6)孤立系统的总熵可能增大，也可能减小() 2(1)冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这_(填“违反”或“不违反”) 热力学第二定律 (2)两个温度不同的物体接触时， 热量会自发地从高温物体传给低温物体， 直到两者温度相等； 一个温度处处相等的物体，不可能自发地变成一部分温度高，另一部分温度低这一事实说 明，一

5、切自然过程总是沿着分子热运动_的方向进行 答案 (1)不违反 (2)无序性增大 一、热力学第二定律 导学探究 有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所产生的热量 都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新 运动起来，而不引起其他变化这是一个非常诱人的设想，这种设想并不违反能量守恒定律， 如果真能造出这样的热机，那么，我们只从海水中吸收热量来做功，就成为可能了，“能源 问题”也就解决了这样的热机能制成吗？为什么？ 答案 不能违背了热力学第二定律 知识深化 1在热力学第二定律的表述中，“不可能”“不产生其他影响”的涵义 (1)关于“不可能”：

6、实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热源吸收热量对外做 功，以及热量从低温热源传到高温热源以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折 复杂的办法都不可能加以消除 (2)“不产生其他影响”是指发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热 力学方面的影响如吸热、放热、做功等 2热力学第二定律的意义 热力学第二定律已在物理、化学、生物等自然学科中有着重要的应用，对我们认识自然、利 用自然有重要的指导意义 特别提醒 热力学第二定律的实质：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与 宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 例 1 (多选

7、)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有用功，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有用功，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， 而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助， 即会引起其他变化，A 选项正确，B 选项错误；热传递过程也具有

8、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 C 选项错误，D 选项正确 针对训练 (多选)下列说法中正确的是( ) A一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行 D一切物理过程都不可能自发地进行 答案 AC 解析 能量转移和转化的过程都是具有方向性的， A 对； 第二类永动机不违背能量守恒定律， 但是不能实现，B 错；在热传递的过程中，能量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其 逆过程不可能自发地进行，C 对，D 错 二、热

9、力学第一定律和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，总的能量保 持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物理过程、化学 过程都具有不可逆性 2两类永动机的比较 分类 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不消耗任何能量，可以不断地 做功(或只给予很小的能量启动 后，可以永远运动下去) 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) 不可制成的原因 违背能量守恒定律 违背热力学第二定律 例 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

10、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转化的规律，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 热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和 其他形式的能发生转化的方向性，两者并不矛盾，选项 A、C、D 错误，B 正确 例 3 下列说法正确的是( ) A第二类永动机违背了能量守恒定律 B第二类永动机违背了热力学第二定

11、律 C根据能量守恒定律，经过不断的技术改造，热机的效率有可能达到 100% D电冰箱和空调机工作时，热量从低温热源传到高温热源，违背了热力学第二定律 答案 B 解析 第二类永动机没有违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，A 错误，B 正确； 热机的效率永远小于 100%，因为要向低温热源散热，C 错误；电冰箱和空调机工作时，是通 过压缩机做功， 来实现热量从低温热源到高温热源的传递， 所以并没有违背热力学第二定律， D 错误 三、初识熵 导学探究 (1)如图 1 所示，一幅是阅兵式的图片，另一幅是清明上河图(局部)，从这两幅 图中我们看出了什么？ 图 1 (2)固体自发地熔化为液体、固体结

12、晶要比液体整齐有序；液体自发地蒸发为气体，液体分子 的分布比气体分子要集中有序两种不同气体相互扩散，由有序变为无序，这些现象都说明 了什么问题？ 答案 (1)阅兵式图片较有序，清明上河图较无序 (2)自发过程总是向着无序性增大的方向进行 知识深化 1熵的概念 (1)熵是系统无序度的量度 “有序”和“无序”是相对而言的，是从有序程度上讲的，熵越高，意味着宏观态所对应的 微观态数目越多，即越无序，熵越低即越有序 (2)熵是不可逆过程的共同判据 系统的自发过程总是从有序向无序变化因为熵是系统无序度的量度，所以可以用熵作为一 切不可逆过程的共同判据 (3)熵是系统状态的函数 系统的一个状态对应一个熵值

13、如一块完整的玻璃有一熵值，打碎的玻璃另有一个熵值 2熵增原理热力学第二定律的另一种表述 孤立系统的熵总是增加的，或者孤立系统的熵总不减少 “孤立系统”是指与外界既没有物质的交流，也没有能量的交换，即与外界没有任何联系 的系统 熵增是孤立系统内部实际发生过程的必然趋势即一切自然过程总是沿着无序性增大的方 向进行 特别提醒 客观过程的方向性具有统计意义，宏观过程总是向着无序程度增加的方向发展， 即总是向着概率大的状态发展，而不可能相反 例 4 (多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是( ) A大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动 B热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无

14、序运动状态转化的过程 C热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的 过程 D一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 答案 CD 解析 分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态， 这是一个无序的运动，根据熵增原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序而不是变 成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度 大的运动状态转化的过程，故选 C、D. 1 一切自发过程都是不可逆的， 是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化发展的过程， 即无序性增大的过程 2 传热过程是大量分子由无序程度

15、小的运动状态转化为无序程度大的运动状态的过程， 体现 了热传递的方向性 例 5 下列关于熵的说法中错误的是( ) A熵是系统内分子运动无序性的量度 B在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的 C热力学第二定律也叫做熵减小原理 D熵值越大代表着越无序 答案 C 解析 一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律 的微观意义系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程自然过程的 方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定 律又称为熵增原理故 A、B、D 说法正确，C 说法错误. 1.(热力学第二定律的理解)下列说法

16、正确的是( ) A机械能全部变成内能是不可能的 B第二类永动机不可能制造成功是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一 个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式 C根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体 D从单一热源吸收的热量全部变成有用功是可能的 答案 D 解析 机械能可以全部转化为内能，故 A 错；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了 热力学第二定律，故 B 错；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地， 是可以进行的， 故 C 错； 从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化， 是不可能的， 但如果是从单一热源吸收热量全部变为有

17、用功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故 D 项对 2(热力学第一定律与热力学第二定律的比较)(多选)图 2 为电冰箱的工作原理示意图压缩 机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环在蒸发器中制冷剂汽化，吸收箱体内 的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外下列说法正确的是( ) 图 2 A热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律 D电冰箱的工作原理违背了热力学第一定律 答案 BC 解析 热力学第一定律适用于所有的热学过程，选项 C 正确，D 错误；热量不能自发地从低 温物体传递

18、到高温物体，要想使热量从低温物体传递到高温物体必须借助于其他系统做功， 选项 A 错误，B 正确 3(热力学第二定律的微观意义)下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( ) A从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律 B一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行 C有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无 序性减小的方向进行 D在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵会减小 答案 A 解析 热力学第二定律是一个统计规律，A 对；从热力学第二定律的微观本质看，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，B、C 错；任何自然过程总是朝 着无序程度增大的方向进行，也就是熵增加的方向进行，故 D 错 4(熵增原理)(多选)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