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1、物 理 选修3 3 人教版 新课标导学新课标导学 第十章 热力学定律 第四节 热力学第二定律 第五节 热力学第二定律的微观解释 了解热热力学第二定律的多种表述 知道热传导热传导 及宏观过观过 程的方向性 了解热热力学第二学定律的微观观解释释 知道熵熵及熵熵增加原理 1 课前预习 2 课内探究 3 素养提升 4 课堂达标 5 课时作业 课 前 预 习 1 可逆与不可逆过程 热传导的方向性 热传导 的过程可以自发地由 物体向 物 体进行 但相反方向却不能 进行 即热传导 具 有 性 是一个不可逆过程 2 热力学第二定律的一种表述 克劳修斯表述 热量不能自发地从 物体传递 到 物体 热力学第二定律的
2、一种表述 高温低温 自发地方向 低温高温 1 开尔文表述 不可能从 吸收热量 使之完全变成 而 不产生其他影响 2 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 2 气体向真空的自由膨胀是 的 热力学第二定律的另一种表述 单一热库功 方向性 不可逆 1 有序 只要确定了某种规则 这个规则 的就叫做有序 2 无序 不符合某种 的称为无序 3 宏观态 某种规定 规则 的状态 叫做热力学系统的宏 观态 4 微观态 在宏观状态下 符合 的规定 规则 的状态叫做 这个宏观态 的微观态 有序和无序 宏观态和微观态 符合 确定规则 符合 另外 热力学第二定律的微观意义 一切自然过程总是沿着分
3、子热运动的 的方向进行 气体向真空的扩散 无序性增大 1 熵 1 微观状态的数目用 表示 用S表示熵 则S k称为玻耳兹曼常数 2 熵和系统内能一样都是一个状态函数 仅由系统的 决定 从分子动理论的观点来看 熵是分子热 运动 程度的定量量度 2 熵增加原理 在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵 叫 做熵增加原理 对于其他情况 系统的熵可能增加 也 可能减小 熵及熵增加原理 kln 状态 无序 混乱 不会减小 判一判 1 机械能可以完全转化为内能 2 内能不可能完全转化为机械能 3 能够制成的热机既不违背能量守恒定律 也不违背热力 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
4、5 一个宏观态所对应的微观态数目越多 则熵越大 选一选 下列说法正确的是 A 热量不能从低温物体传到高温物体 B 功可以完全变成热 热不能完全变成功 C 改进热机的生产工艺 总有一天热机的效率可以达到 100 D 气体向真空的自由膨胀是不可逆的 解析 在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体 A错 在一定条件下热可以全部变成功 B错 热机的效 率在任何条件下都不可能达到100 C错 一切宏观自然 过程的进行都具有方向性 D正确 D 想一想 成语语 覆水难收 指的是一盆水泼出 去后是不可能再倒回盆中的 请从不 同宏观态 所对应 的微观态 数目不同 这个角度 解释为 什么水不会自发地 聚到盆中
5、课 内 探 究 一种冷暖两用型空调 铭牌标注 输入功 率1kW 制冷能力1 2 104kJ h 制热能力 1 3 104kJ h 这样 该空调在制热时 每消 耗1J电能 将放出3J多热量 是指标错误 还是能量不守恒 探究一 热力学第二定律的理解 1 单一热库 指温度均匀并且恒定不变的系统 若一系统各部分温度 不相同或者温度不稳定 则构成机器的工作物质可以在 不同温度的两部分之间工作 从而可以对外做功 据报 道 有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电 2 其他影响 指除了从单一热库 吸收的热量 以及所做的功以外的其 他一切影响 或者除了从低温物体吸收热量 高温物体得 到相同的热量外 其他一切
6、影响和变化 不是不能从单 一热库 吸收热量而对外做功 而是这样 做的结果 一定 伴随着其他变化或影响 同样 也不是热量不能从低温 物体传到高温物体 而是指不产生其他影响的自动热传 递是不可能的 3 关于 不可能 实际 上热机或制冷机系统循环终 了时 除了从单一热库 吸收热量对外做功 以及热量从低温热库传 到高温热库 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 4 适用条件 只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的 宏观过 程 而不适用于少量的微观体系 也不能把它扩 展到无限的宇宙 5 两种表述是等价的 两种表述都揭示了热现 象宏观过 程的方向性 两种表
7、述 可以相互推导 根据热力学定律 下列判断正确的是 A 我们可以把火炉散失到周围环 境中的能量全部收集到 火炉中再次用来取暖 B 利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机 将海水的一部分内能转化为机械能 这在原理上是可 行的 C 制冷系统能将冰箱内的热量传给 外界较高温度的空气 而不引起其他变化 D 满足能量守恒定律的客观过 程都可以自发地进行 B 解题指导 利用热力学第二定律解决问题时 1 明确热力学第二定律的两种表述是等效的 其实质是自 然界中进行的所有涉及热现象的宏观物理过程都具有方向 性 2 特别注意 不产生其他影响 和 产生其他影响 热 量可以从低温物体传到高温物体 但要 产生
8、其他影响 3 热机的效率总是小于1 因为它总要向低温热源散热 解析 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 所以不 能把散失的能量全部收集起来重新加以利用 A错 由热 力学第二定律可知 B正确 热量从低温物体传给高温物 体时一定会发生其他变化 C错 只满足能量守恒定律而 不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的 D错 对点训练1 如图中气缸内盛有定量的理想 气体 气缸壁是导热的 缸外环境保持恒温 活塞与气缸壁的接触是光滑的 但不漏气 现将活塞杆与外界连接 使其缓慢地向右 移动 这样气体将等温膨胀并通过杆对外做 功 若已知理想气体的内能只与温度有关 则下列说法正确的是 C 解析 热力学第二定律从机
9、械能与内能转化过程的方向性 来描述是 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 本题中如果没有外界的帮助 比 如外力拉动活塞杆使活塞向右移动 使气体膨胀对外做功 导致气体温度略微降低 是不可能从外界吸收热量的 即这一过程虽然是气体从单一热源吸热 全用来对外做功 但引起了其他变化 所以此过程不违反热力学第二定律 如图将一滴红墨水滴入一杯清水中 红墨水会逐渐扩 散 到整杯水中 呈均匀分布 试说 明这个过程中熵的变化 提示 墨水原来处于较小的空间 一滴 无序度小 后来 处于较大空间 无序度大 故熵变 大 探究二 对热力学第二定律微观意义的理解 1 有序 无序的含义 1 无序 意
10、味着各处一样 平均 没有差别 而有序 则正好相反 2 有序 与 无序 是相对的 2 熵的含义 有序 和 无序 是相对而言的 是从有序程度上讲的 熵是宏观态 无序程度的量度 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 3 热力学第二定律的微观解释 高温物体和低温物体中的分子都在做无规则 的热运动 但是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体 所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中 低温 物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧 即低温物体的温 度升高了 而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓 即 高温物体的温度降低了 所以从宏观热现 象角度来看 热传递 具有方向性
11、总是从高温物体传给 低温物体 换 一种角度看 初始我们根据温度的高低来区分两个物体 而终了状态两个物体上的温度处处 相同 无法区别 我 们就说系统的无序程度增加了 同理可知 在通过做功使系统内能增加的过程中 是大 量分子从有序运动状态向无序运动状态转 化的过程 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
12、解题指导 热传递过 程是大量分子由无序程度小转化为 无序程度大的过程 体现了自然过程的方向 CD 解析 分子热运动是大量分子无规则运动 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 据熵增加原理 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 C D项正确 对点训练2 如图 质量 温度相同的水 分别处于固 态 液态和气态三种状态下 它们的熵的大小有什么关系 为什么 答案 根据大量分子运动对 系统无序程度的影响 热力 学第二定律又有一种表述 由大量分子组成的系统自发 变化
13、时 总是向着无序程度增加的方向发展 至少无序 程度不会减少 这也就是说 任何一个系统自发变 化时 系统的熵要么增加 要么不变 但不会减少 质量相 同 温度相同的水 可以由固体自发地向液体 气态转 化 所以 气态时 的熵最大 其次是液体 固态时 的熵 最小 素 养 提 升 1 热力学第二定律与第一定律的比较 2 两类永动机的比较 关于两类永动机和热力学的两个定律 下列说 法正确的是 A 第一类永动机不可能制成是因为违 反了热力学第二定 律 B 第二类永动机不可能制成是因为违 反了热力学第一定 律 C 由热力学第一定律可知做功不一定改变内能 传热 也 不一定改变内能 但同时做功和传热 一定会改变内能 D 由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体 是可能的 从单一热库 吸收热量 完全变成功也是可能 的 D 解析 第一类永动机违反能量守恒定律 选项A错误 第 二类永动机违反热力学第二定律 选项B错误 由热力学 第一定律可知当W 0 Q 0时 U W Q可以等于0 选 项C错误 由热力学第二定律可知选项D中现象是可能的 但一定会产生其他影响 选项D正确 课 堂 达 标 课 时 作 业
