高中物理 2.5有序、无序和熵课件 新人教版选修1-2

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1、五、有序、无序和熵 情境导入 课程目标 如图所示 , 威武的解放军在国庆 60 周年阅兵式上整齐地行进 ; 春运中拥挤的人群杂乱无章。这两个例子中 , 哪个是有序的 , 哪个是无序的 ? 自发的过程是从有序向着无序发展还是从无序向着有序发展 ? 提示 : 前者是有序的 , 后者是无序的。自发的过程是从有序向着无序发展。 1 . 知道在涉及热现象的宏观过程中的能量耗散与退化现象。 2 . 初步了解熵及熵增加原理的物理意义 , 知道在自然界的自发过程中 , 系统的无序程度总是不断增加。 3 . 能用热力学第二定律或熵增加原理解释身边一些简单现象。 4 . 了解热力学温度的规定及绝对零度不可能达到的

2、结论。 一 二 三 一、能量的耗散与退化 1 . 概念 :在自然界的种种变化中 , 能量的 总值 虽然保持不变 ( 守恒 ), 但是能量 可被利用的价值 却越来越小 , 或者说能量的 品质 在不断降低 , 这就是能量的耗散与退化。 2 . 理解 能量的耗散过程 , 并不会减少地球上的能量 , 而是将能源中 高度有用 的能量形式降低为 不大可用 的能量形式。 四 一 二 三 思考 在机械能、内能、电能中 , 哪一种形式的能量品质最低 ? 为什么 ? 提示 :内能 ,这是因为内能不如机械能、电能好用 ,它只能部分用于做功 ,而总有一部分内能要散发到温度 较低的环境中。 四 一 二 三 二、绝对零度

3、不可达到 1 . 绝对零度 热力学 温标的零度 ( - 273 . 15 ), 是宇宙中温度的下限 , 叫作绝对零度。 2 . 热力学温度 热力学温度用 T 表示 , 单位是 开尔文 , 符号是 K , 热力学温度 T 与摄氏温度 t 之间的换算关系是 : T= t+ 27 3 . 15 K 。 3 . 热力学第三定律 对大量事实的研究分析表明 , 不可能通过有限的过程把物体冷却到 绝对零度 , 这个结论叫热力学第三定律。 四 一 二 三 思考 “ 在新疆某些地区夏季昼夜温差达 15 ”“ 在我国东部沿海地区秋冬两季最高气温相差 15 K ” , 这两种叙述中的温度差哪种说法大些 ? 提示 :

4、一样大。因为用热力学温度和摄氏温度表示温度变化时 ,每变化1 和每变化 1 K 数值上是相等的 ,只是它们的零值规定不同。 四 一 二 三 三、熵增加原理 1 . 熵 :熵是表征系统 无序 程度的物理量 , 熵越 大 , 系统的无序程度越高。 2 . 熵增加原理 任何孤立系统 , 它的总熵永远不会 减小 ; 或者说 , 自然界的一切自发过程 ,总是朝着熵 增加 的方向进行 , 这就是熵增加原理。 四 一 二 三 四 四、有序向无序的转化 1 . 有序和无序 有序 是指各处都不一样 , 不平均、有差别 ; 无序 是指各处都一样 , 平均、没有差别。 2 . 有序向无序的转化 系统自发的过程 ,

5、总是从 有序 变为 无序 的。从 微观的角度说 , 热传递过程也是从比较 有序 的状态变成比较 无序 的状态。 探究 一 探究 二 对能量的耗散与退化的理解 问题导引既然能量是守恒的 , 我们为什么还要节约能源 ? 提示 :能量是守恒的 ,但能量耗散却导致能量品质的降低 ,高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。可见 ,虽然能量不会减少 ,但方便使用的能源会越来越少 ,所以要节约能源。 探究 一 探究 二 名师精讲 1 . 能量的耗散与退化 我们没有办法把流散的内能重新收集起来加以利用 , 这种现象叫作能量的耗散与退化。能量的耗散与退化是从能量转化的角度反映出自然 界中的宏观过程具有的方

6、向性。 探究 一 探究 二 2 . 对能量的耗散与退化的理解 ( 1 ) 在利用能源的实际过程中 , 由于摩擦、系统向外界放出热量等因素 ,会有部分能量最终以热的形式转移出去。由于宏观过程的不可逆性 , 导致这些能量无法重新收集而加以利用 , 从而造成能量的永久性损失 , 这就是能量耗散。可见 , 能量耗散与能量退化的宏观过程具有方向性、不可逆性。 ( 2 ) 能量耗散过程中 , 包括环境在内的整个系统总能量仍是守恒的 , 但可利用的能量在减少 , 造成能量的 “ 贬值 ” 。任何利用能源的过程都必然导致这种能量 “ 贬值 ” , 即退化。因此我们要节约能源。 探究 一 探究 二 【例题 1

7、】 下列说法中正确的是 ( ) A. 从甲物体能自发传递热量给乙物体 , 说明甲物体的内能比乙物体的多 B. 热机的效率从原理上讲可达到 100% C. 因为能量守恒 , 所以 “ 能源危机 ” 是不可能的 D. 以上说法均不正确 探究 一 探究 二 解析 :自发的热传递的条件是必须存在温差 ,而不是内能差。甲物体能传递热量给乙物体 ,说明甲物体的温度比乙物体的高 ,所以 A 项错。由热力学第二定律 “ 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 ” 可知 ,任何热机的机械效率都不可能达到 100% ,因此 B 项错。关于“ 能源危机 ” 必须明确几点 :( 1 ) 能源是

8、提供能 量的资源 ,如煤、石油等。 ( 2 ) 人们在消耗能源时 ,放出的能量 ,有的转化为内能 ,有的转化为机械能等 ,但是最终基本上都转化成了内能 ,人们无法把这些内能收集起来再利用 ( 能量耗散 ), 而可供利用的能源是有限的 ,不可能再生 ( 或短时间内不可再生 ), 因此 , “ 能源危机 ” 并非说明能量不守恒 ,所以 C 项错。故正确选项为 D 。 答案 : D 探究 一 探究 二 题后反思 解此题应抓住以下几条进行分析 : ( 1 ) 热传导的方向性。 ( 2 ) 正确理解热力学第二定律。 ( 3 ) 对能量耗散的理解。这是因为能量耗散过程中 ,包括环境在内的整个系统总能量仍是

9、守恒的 ,但可利用的能量在 减少 ,造成能量的 “ 贬值 ” 。任何利用能源的过程都必然导致这种能量 “ 贬值 ” ,即退化。因此我们要节约能源。 探究 一 探究 二 对熵和熵增加原理的理解 问题导引质量相同、温度相同的水 , 如图所示分别处于固态、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 ? 探究 一 探究 二 提示 :气态时的熵最大 ,其次是液态 ,固态时熵最小。这是因为质量相同的水 ,可以由固态自发地向液态、气态转化 ,也可由液态自发地向气态转化 ,根据熵增加原理 ,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 ,所以 ,气态时的熵最大 ,其

10、次是液 态 ,固态时的熵最小。 探究 一 探究 二 名师精讲1 . 热力学温度与摄氏温度的关系 ( 1 ) 热力学温度与摄氏温度的关系 T = t + 273 . 15 K , 一般可表示为 T = t + 27 3 K 。 ( 2 ) 热力学温标与摄氏温标的区别和联系 用热力学温标表示的温度和用摄氏温标表示的温度 , 虽然起点不同 , 但是表示的温度的间隔是相同的 , 即 T= t 。 由于热力学温度的单位大小等于摄氏温度的 1 , 在表示温差时 , 1 K = 1 。 即摄氏温标的 1 的分格与绝对温标的 1 K 的分格是等价的 , 摄氏温度升高 10 与热力学温度升高 10 K 是一回事

11、 , 而不能 说前者升高 10 后者就升高了 283 K 。 探究 一 探究 二 2 . 对熵的理解 ( 1 ) 由熵的定义可知 , 熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态 ,也就是出现概率较大的宏观状态。在自然过程中熵总是增加的 , 其原因并非因为有序是不可能的 , 而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多很多 , 把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多很多。 ( 2 ) 引入熵之后 , 关于自然过程的方向性就可以表述为 : 在任何自然过程中 , 一个孤立系统的总熵不会减小 , 这就是用熵的概念表示的热力学第二定律。为此 , 不少人把热力学第二定律叫作熵增加原理。 探究

12、一 探究 二 ( 3 ) 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 , 而熵值较大代表较为无序 , 所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。 ( 4 ) 用熵解题的几个关键点 从分子热运动的角度解释热传递的方向性 : 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的。 在任何过程中 , 一个孤立系统的总熵不会减小。 不能误认为无序是绝对的 , 有序和无序都是相对的。例如扑克牌同一花色的放在一块相对于一般放法是有序的 , 但相对于同一花色按大小排在一起又是无序的。 不能误认为熵总在增大 , 一个孤立系 统在由一个状态变到另

13、一个状态的过程中 , 总熵不会减小。如果过程可逆 , 则熵不变 ; 如果过程不可逆 , 则熵增加。 探究 一 探究 二 3 . 对热力学第二定律微观意义的理解 ( 1 ) 对热力学过程的微观解释 系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化。从微观角度看 ,在通过做功使系统内能增加的过程中 , 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 , 但其逆过程却不能自发地进行 , 即不可能由大量分子无规则的热运动自发地转变为有序运动。 ( 2 ) 热传递过程的微观解释 从微观看 , 热传递的过程中 , 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 , 其逆

14、过程不能自发地进行。 ( 3 ) 微观意义 大量分子无序运动状态变化的方向总是向无序性增大的方向进行的 ,即一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行的 , 这就是热力学第二定律的微观意义。 探究 一 探究 二 【例题 2 】 对于孤立体系中发生的实际过程 , 下列说法中不正确的是( ) A. 系统的总熵只能增大或不变 , 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 解析 :根据熵增加原理 ,在任何自然过程中 ,一个孤立系 统的总熵不会减小可知 , A 对 , B 错。根据

15、热力学第二定律的微观解释可知 ,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的 ,所以 C 对 , D 错。故答案为 答案 : 探究 一 探究 二 题后反思 准确理解熵的概念和熵增加原理 ,对分析实际问题起关键性作用。理解一切自然过程的方向性的实质总是朝熵增加的方向进行。 1 2 3 4 5 1 . 下列对能量耗散的理解正确的有 ( ) A. 能量耗散说明能量在不断减少 B. 能量耗散遵守能量守恒定律 C. 能量耗散说明能量不能凭空产生 , 但可以凭空消失 D. 能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 解析 :在发生能量转化的宏观过程中 ,其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能 ,无法再回收利用 ,这种现象叫能量耗散。能量耗散并不违背能量守恒定律 ,宇宙中的能量既没有减少 ,也没有消失 ,它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 ,故 A 、 C 项错。 答案 : 1 2 3 4 5