《高中物理 第10章 第4、5节 热力学第二定律 热力学第二定律的微观解释课件 新人教版选修3-3.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 第10章 第4、5节 热力学第二定律 热力学第二定律的微观解释课件 新人教版选修3-3.ppt（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、成才之路成才之路 物理物理路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索人教版人教版 选修选修3-3 热力学定律热力学定律第十章第十章第四节热力学第二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第五节热力学第二定律的微观解释释第十章第十章学习目标定位学习目标定位1课堂情景切入课堂情景切入2知识自主梳理知识自主梳理3重点难点突破重点难点突破4考点题型设计考点题型设计5课课 时时 作作 业业7易错案例剖析易错案例剖析6学习目标定位学习目标定位了解热力学第二定律的多种表述了解热力学第二定律的多种表述知道热传导及宏观过程的方向性知道热传导及宏观过程的方向性了解热力学第二学定律的微观
2、解释了解热力学第二学定律的微观解释知道熵及熵增加原理知道熵及熵增加原理课堂情景切入课堂情景切入覆水难收覆水难收君不见黄河之水天上来君不见黄河之水天上来奔流到海不复回奔流到海不复回大大家家是是否否发发现现一一些些事事件件的的发发展展过过程程具具有有方方向向性性、不不可可逆逆性性？知识自主梳理知识自主梳理热力学第二定律的一种表述热力学第二定律的一种表述1可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程(热传导的方向性热传导的方向性)热热传传导导的的过过程程可可以以自自发发地地由由_物物体体向向_物物体体进进行行，但但相相反反方方向向却却不不能能_进进行行，即即热热传传导导具具有有_性，是一个不可逆过程。性，是一个
3、不可逆过程。2热力学第二定律的一种表述热力学第二定律的一种表述(克劳修斯表述克劳修斯表述)热量不能自发地从热量不能自发地从_物体传递到物体传递到_物体。物体。高温高温低温低温自发地自发地方向方向低温低温高温高温热力学第二定律的另一种表述热力学第二定律的另一种表述1开尔文表述开尔文表述不不可可能能从从_吸吸收收热热量量，使使之之完完全全变变成成_，而而不产生其他影响。不产生其他影响。2热力学第二定律的其他描述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气体向真空的自由膨胀是_的。的。单一热库单一热库功功方向性方向性不可逆不
4、可逆1有序有序只要确定了某种规则，只要确定了某种规则，_这个规则的就叫做有序。这个规则的就叫做有序。2无序无序不符合某种不符合某种_的称为无序。的称为无序。3宏观态宏观态_某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。4微观态微观态在在宏宏观观状状态态下下，符符合合_的的规规定定、规规则则的的状状态态叫叫做做这这个宏观态的微观态。个宏观态的微观态。有序和无序宏观态和微观态有序和无序宏观态和微观态符合符合确定规则确定规则符合符合另外另外气体向真空的扩散气体向真空的扩散热热力力学学第第二二定定律律的的微微观观意意义义：一一切切自自然然过过程程总总是是沿
5、沿着着分分子子热运动的热运动的_的方向进行。的方向进行。无序性增大无序性增大 1熵熵(1)微微观观状状态态的的数数目目用用表表示示，用用S表表示示熵熵，则则S_，k称为玻耳兹曼常数。称为玻耳兹曼常数。(2)熵熵和和系系统统内内能能一一样样都都是是一一个个状状态态函函数数，仅仅由由系系统统的的_决决定定。从从分分子子动动理理论论的的观观点点来来看看，熵熵是是分分子子热热运运动动_程度的定量量度。程度的定量量度。2熵增加原理熵增加原理在在任任何何自自然然过过程程中中，一一个个孤孤立立系系统统的的总总熵熵_，叫叫做做熵增加原理。对于其他情况，系统的熵可能增加，也可能减小。熵增加原理。对于其他情况，系
6、统的熵可能增加，也可能减小。熵及熵增加原理熵及熵增加原理kln状态状态无序无序(混乱混乱)不会减小不会减小重点难点突破重点难点突破一、热力学第二定律理解中的几个问题一、热力学第二定律理解中的几个问题1单一热库单一热库指指温温度度均均匀匀并并且且恒恒定定不不变变的的系系统统。若若一一系系统统各各部部分分温温度度不不相相同同或或者者温温度度不不稳稳定定，则则构构成成机机器器的的工工作作物物质质可可以以在在不不同同温温度度的的两两部部分分之之间间工工作作，从从而而可可以以对对外外做做功功。据据报报道道，有有些些国国家家已已在研究利用海水上下温度不同来发电。在研究利用海水上下温度不同来发电。2其他影响
7、其他影响指指除除了了从从单单一一热热库库吸吸收收的的热热量量，以以及及所所做做的的功功以以外外的的其其他他一一切切影影响响；或或者者除除了了从从低低温温物物体体吸吸收收热热量量、高高温温物物体体得得到到相相同同的的热热量量外外，其其他他一一切切影影响响和和变变化化。不不是是不不能能从从单单一一热热库库吸吸收收热热量量而而对对外外做做功功，而而是是这这样样做做的的结结果果，一一定定伴伴随随着着其其他他变变化化或或影影响响。同同样样，也也不不是是热热量量不不能能从从低低温温物物体体传传到到高高温温物物体体，而而是是指指不产生其他影响的自动热传递是不可能的。不产生其他影响的自动热传递是不可能的。3关
8、于关于“不可能不可能”实实际际上上热热机机或或制制冷冷机机系系统统循循环环终终了了时时，除除了了从从单单一一热热库库吸吸收收热热量量对对外外做做功功，以以及及热热量量从从低低温温热热库库传传到到高高温温热热库库以以外外，过过程程所所产产生生的的其其他他一一切切影影响响，不不论论用用任任何何曲曲折折复复杂杂的的办办法法都都不不可可能加以消除。能加以消除。4适用条件适用条件只只能能适适用用于于由由很很大大数数目目分分子子所所构构成成的的系系统统及及有有限限范范围围内内的的宏宏观观过过程程。而而不不适适用用于于少少量量的的微微观观体体系系，也也不不能能把把它它扩扩展展到到无无限的宇宙。限的宇宙。5两
9、种表述是等价的两种表述是等价的两两种种表表述述都都揭揭示示了了热热现现象象宏宏观观过过程程的的方方向向性性。两两种种表表述述可可以相互推导。以相互推导。二、热力学第二定律与第一定律的比较二、热力学第二定律与第一定律的比较规律规律区别联系区别联系 热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律区别区别热力学第一定律是能量热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动从而否定了第一类永动机机热力学第二定律是关于在热力学第二定律是关于在有限空间和时间内，一切有限空间和时间内，一
10、切和热现象有关的物理过程、和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第经验总结，从而否定了第二类永动机二类永动机联系联系两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础一一种种冷冷暖暖两两用用型型空空调调，铭铭牌牌标标注注：输输入入功功率率1kW，制制冷冷能能力力1.2104kJ/h，制制热热能能力力1.3104kJ/h。这这样样，该该空空调调
11、在在制制热热时时，每每消消耗耗1J电电能能，将将放放出出3J多多热热量量，是是指指标标错错误误还还是是能能量量不守恒？不守恒？答答案案：都都不不是是。空空调调制制冷冷(制制热热)靠靠压压缩缩机机做做功功，从从室室内内(室室外外)吸吸收收热热量量放放到到室室外外(室室内内)。在在制制热热时时，放放出出的的热热量量等等于于消消耗耗的的电电能能与与从从室室外外吸吸收收的的热热量量之之和和，完完全全可可以以大大于于电电能能消消耗耗。这这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。三、有序、无序的含义三、有序、无序的含义1“无无序序”意意味味着着各各处
12、处一一样样、平平均均、没没有有差差别别，而而有有序序则则正好相反。正好相反。2“有序有序”与与“无序无序”是相对的。是相对的。四、熵的含义四、熵的含义“有有序序”和和“无无序序”是是相相对对而而言言的的，是是从从有有序序程程度度上上讲讲的的，熵熵是是宏宏观观态态无无序序程程度度的的量量度度，熵熵越越高高，意意味味着着宏宏观观态态所所对对应应的的微微观态数目越多，即越无序，熵越低即越有序。观态数目越多，即越无序，熵越低即越有序。五、热力学第二定律的微观解释五、热力学第二定律的微观解释高高温温物物体体和和低低温温物物体体中中的的分分子子都都在在做做无无规规则则的的热热运运动动，但但是是高高温温物物
13、体体中中分分子子热热运运动动的的平平均均速速率率要要大大于于低低温温物物体体。所所以以在在高高温温物物体体分分子子与与低低温温物物体体分分子子的的碰碰撞撞过过程程中中，低低温温物物体体分分子子运运动动的的剧剧烈烈程程度度会会逐逐渐渐加加剧剧，即即低低温温物物体体的的温温度度升升高高了了。而而高高温温物物体体分分子子运运动动的的剧剧烈烈程程度度会会减减缓缓，即即高高温温物物体体的的温温度度降降低低了了。所所以以从从宏宏观观热热现现象象角角度度来来看看，热热传传递递具具有有方方向向性性，总总是是从从高高温温物物体体传传给给低低温温物物体体。换换一一种种角角度度看看，初初始始我我们们根根据据温温度度
14、的的高高低低来来区区分分两两个个物物体体，而而终终了了状状态态两两个个物物体体上上的的温温度度处处处处相相同同，无无法区别，我们就说系统的无序程度增加了。法区别，我们就说系统的无序程度增加了。同同理理可可知知，在在通通过过做做功功使使系系统统内内能能增增加加的的过过程程中中，是是大大量量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程。分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程。成成语语“覆覆水水难难收收”指指的的是是一一盆盆水水泼泼出出去去后后是是不不可可能能再再倒倒回回盆盆中中的的。请请从从不不同同宏宏观观态态所所对对应应的的微微观观态态数数目目不不同同这这个个角角度度，解解释释为为什什么么水水
15、不不会自发地聚到盆中。会自发地聚到盆中。答答案案：由由于于盆盆的的形形状状确确定定，水水在在盆盆中中所所处处的的宏宏观观态态对对应应的的微微观观态态数数目目少少，较较为为有有序序。当当把把水水泼泼出出后后，它它的的形形状状不不受受盆盆的的限限制制，各各种种可可能能的的形形状状都都有有，此此时时所所处处的的宏宏观观态态对对应应的的微微观观态态数数目目将将变变得得非非常常多多，较较为为无无序序。因因为为自自发发的的过过程程总总是是从从有有序序向向无序发展，所以水不会自发地聚到盆中。无序发展，所以水不会自发地聚到盆中。考点题型设计考点题型设计下列说法正确的是下列说法正确的是()A机械能全部变成内能是
16、不可能的机械能全部变成内能是不可能的B第第二二类类永永动动机机不不可可能能制制造造成成功功的的原原因因是是因因为为能能量量既既不不会会凭凭空空产产生生，也也不不会会凭凭空空消消失失，只只能能从从一一个个物物体体转转移移到到另另一一个个物体，或从一种形式转化成另一种形式物体，或从一种形式转化成另一种形式C根根据据热热力力学学第第二二定定律律可可知知，热热量量不不可可能能从从低低温温物物体体传传到高温物体到高温物体D从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的热力学第二定律的理解热力学第二定律的理解解解析析：机机械械能能可可以以全全部部转转化化为为内内能能。故故A错
17、错；第第二二类类永永动动机机不不可可能能制制造造成成功功是是因因为为它它违违背背了了热热力力学学第第二二定定律律，故故B项项错错；热热量量不不能能自自发发地地从从低低温温物物体体传传到到高高温温物物体体，但但如如果果不不是是自自发发地地，是是可可以以进进行行的的，故故C项项错错；从从单单一一热热源源吸吸收收热热量量全全部部用用来来做做功功而而不不引引起起其其他他变变化化，是是不不可可能能的的，但但如如果果是是从从单单一一热热源源吸吸收收热热量量全全部部变变为为功功的的同同时时也也引引起起了了其其他他的的变变化化，是是可可能能的的，故故D项项对。对。答案：答案：D点点评评：本本题题易易错错选选C
18、，原原因因是是忽忽略略了了在在“引引起起其其他他变变化化”时时，热量可以从低温物体传到高温物体。热量可以从低温物体传到高温物体。如如图图中中气气缸缸内内盛盛有有定定量量的的理理想想气气体体，气气缸缸壁壁是是导导热热的的，缸缸外外环环境境保保持持恒恒温温，活活塞塞与与气气缸缸壁壁的的接接触触是是光光滑滑的的，但但不不漏漏气气。现现将将活活塞塞杆杆与与外外界界连连接接，使使其其缓缓慢慢地地向向右右移移动动，这这样样气气体体将将等等温温膨膨胀胀并并通通过过杆杆对对外外做做功功。若若已已知知理理想想气气体体的的内内能能只只与与温温度度有有关，则下列说法正确的是关，则下列说法正确的是()A气气体体是是从
19、从单单一一热热源源吸吸热热，全全用用来来对对外外做做功功，因因此此此此过过程违反热力学第二定律程违反热力学第二定律B气气体体从从单单一一热热源源吸吸热热，但但并并未未全全用用来来对对外外做做功功，所所以以此过程不违反热力学第二定律此过程不违反热力学第二定律C气气体体是是从从单单一一热热源源吸吸热热，全全用用来来对对外外做做功功，但但此此过过程程不违反热力学第二定律不违反热力学第二定律DABC三种说法都不对三种说法都不对答案：答案：C解解析析：热热力力学学第第二二定定律律从从机机械械能能与与内内能能转转化化过过程程的的方方向向性性来来描描述述是是：不不可可能能从从单单一一热热源源吸吸收收热热量量
20、并并把把它它全全部部用用来来做做功功，而而不不引引起起其其他他变变化化。本本题题中中如如果果没没有有外外界界的的帮帮助助，比比如如外外力力拉拉动动活活塞塞杆杆使使活活塞塞向向右右移移动动，使使气气体体膨膨胀胀对对外外做做功功，导导致致气气体体温温度度略略微微降降低低，是是不不可可能能从从外外界界吸吸收收热热量量的的，即即这这一一过过程程虽虽然然是是气气体体从从单单一一热热源源吸吸热热，全全用用来来对对外外做做功功，但但引引起起了了其其他他变变化化，所以此过程不违反热力学第二定律。所以此过程不违反热力学第二定律。关关于于热热力力学学第第二二定定律律的的微微观观意意义义，下列说法正确的是下列说法正
21、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大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B热热传传递递的的自自然然过过程程是是大大量量分分子子从从有有序序运运动动状状态态向向无无序序运动状态转化的过程运动状态转化的过程C热热传传递递的的自自然然过过程程是是大大量量分分子子从从无无序序程程度度小小的的运运动动状状态向无序程度大的运动状态转化的过程态向无序程度大的运动状态转化的过程D一一切切自自然然过过程程总总是是沿沿着着分分子子热热运运动动的的无无序序性性增增大大的的方方向进行向进行热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义解解析析：分分子子热热运运动动是是大大量量分分子子无无
22、规规则则运运动动，系系统统的的一一个个宏宏观观过过程程包包含含着着大大量量的的微微观观状状态态，这这是是一一个个无无序序的的运运动动，根根据据熵熵增增加加原原理理，热热运运动动的的结结果果只只能能使使分分子子热热运运动动更更加加无无序序，而而不不是是变变成成了了有有序序，热热传传递递的的自自然然过过程程从从微微观观上上讲讲就就是是大大量量分分子子从从无无序序程程度度小小的的运运动动状状态态向向无无序序程程度度大大的的运运动动状状态态转转化化的的过过程程，C、D项正确。项正确。答案：答案：CD点点评评：热热传传递递过过程程是是大大量量分分子子由由无无序序程程度度小小转转化化为为无无序序程程度大的
23、过程，体现了自然过程的方向。度大的过程，体现了自然过程的方向。如如图图，质质量量、温温度度相相同同的的水水，分分别别处处于于固固态态、液液态态和和气气态态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？答答案案：根根据据大大量量分分子子运运动动对对系系统统无无序序程程度度的的影影响响，热热力力学学第第二二定定律律又又有有一一种种表表述述：由由大大量量分分子子组组成成的的系系统统自自发发变变化化时时，总总是是向向着着无无序序程程度度增增加加的的方方向向发发展展，至至少少无无序序程程度度不不会会减减少少。这这也也就就是是说说，任任何何一一个个系系统统自自
24、发发变变化化时时，系系统统的的熵熵要要么么增增加加，要要么么不不变变，但但不不会会减减少少。质质量量相相同同，温温度度相相同同的的水水，可可以以由由固固体体自自发发地地向向液液体体、气气态态转转化化，所所以以，气气态态时时的的熵熵最最大大，其其次次是是液体，固态时的熵最小。液体，固态时的熵最小。炎炎炎炎夏夏日日，甲甲、乙乙两两位位同同学学在在充充满满凉凉意意的的空空调调室室内内，就就空空调调机机的的工工作作过过程程是是否否遵遵循循热热力力学学第第二二定律的问题发生了争论。定律的问题发生了争论。甲甲同同学学说说：空空调调机机工工作作时时，不不断断地地把把热热量量从从室室内内传传到到室室外外，即从
25、低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二定律。即从低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二定律。乙乙同同学学说说：热热力力学学第第二二定定律律是是热热力力学学系系统统的的普普遍遍规规律律，空空调机的工作过程不可能违反它。调机的工作过程不可能违反它。两两人人各各执执一一词词，都都无无法法使使对对方方信信服服。请请你你对对他他们们的的论论点点作作出评价。出评价。开放开放探究探究解解析析：空空调调机机和和电电冰冰箱箱都都是是制制冷冷机机，它它们们的的工工作作原原理理基基本本相相同同。为为了了便便于于解解析析，我我们们以以电电冰冰箱箱为为研研究究对对象象，认认识识它它的的基基本本结结构构和
26、和工工作作过过程程。从从冰冰箱箱的的原原理理图图可可以以知知道道，电电冰冰箱箱由由压压缩缩机机、冷冷凝凝器器、毛毛细细管管(节节流流阀阀)、蒸蒸发发器器四四个个部部分分组组成成。这这四四个个部部分分由由管管道道连连接接，组组成成一一个个密密闭闭的的连连通通器器系系统统，制制冷冷剂剂作作为为工工作物质，由管道输送，经过这四个部分，完成工作循环。作物质，由管道输送，经过这四个部分，完成工作循环。压压缩缩机机是是电电冰冰箱箱的的“心心脏脏”，它它消消耗耗电电能能对对来来自自蒸蒸发发器器的的制制冷冷剂剂蒸蒸汽汽做做功功，使使它它变变成成高高温温高高压压的的蒸蒸汽汽(如如p9.1atm，t46)。然然后
27、后这这些些高高温温高高压压的的蒸蒸汽汽来来到到冷冷凝凝器器，向向低低温温的的环环境境(空空气气)放放热热，同同时时自自身身被被冷冷却却而而凝凝成成低低温温高高压压的的液液体体(如如p8.9atm，t37.4)。这这些些低低温温高高压压的的液液态态制制冷冷剂剂由由过过滤滤器器滤滤掉掉水水分分和和杂杂质质，进进入入毛毛细细管管，经经节节流流阀阀膨膨胀胀，变变为为低低温温低低压压的的液液体体(如如p1.5atm，t20)，随随后后进进入入电电冰冰箱箱的的蒸蒸发发器器。在在那那里里，这这些些低低温温低低压压的的液液态态制制冷冷剂剂在在低低压压条条件件下下迅迅速速汽汽化化，从从外外界界(电电冰冰箱箱内内
28、)吸吸收收大大量量的的热热量量，使使那那儿儿的的温温度度降降低低。这这样样就就完成了一个制冷循环。由此可见乙同学的论点正确。完成了一个制冷循环。由此可见乙同学的论点正确。一一盆盆水水在在寒寒冷冷的的天天气气中中放放在在户户外外就就要要结结冰冰，液液态态水水的的分分子子无无序序度度比比冰冰高高。那那么么，结结冰冰的的过过程程违违反反熵熵增增加加原原理理吗吗？为为什什么么？答答案案：液液体体的的水水比比冰冰的的无无序序度度大大，但但我我们们看看孤孤立立系系统统的的熵熵，而而不不是是看看个个别别不不孤孤立立的的物物体体。一一盆盆水水在在寒寒冷冷的的天天气气中中并并不不是是孤孤立立系系统统，因因为为水
29、水与与外外界界大大气气有有能能量量交交换换。熵熵增增加加原原理理是是指指的的孤孤立立遵遵守守能能量量守守恒恒的的系系统统。本本说说法法中中，水水与与大大气气为为一一个个孤孤立立系系统统，水水结结冰冰时时放放热热，使使周周围围大大气气、地地面面、分分子子内内能能增增加加，无无序序度度增增加，系统总熵值是增加的，并不违反该原理。加，系统总熵值是增加的，并不违反该原理。易错点：易错点：对热力学第二定律的理解存在误区对热力学第二定律的理解存在误区案例：案例：下列说法正确的是下列说法正确的是()A热量不能从低温物体传到高温物体热量不能从低温物体传到高温物体B功可以完全变成热，热不能完全变成功功可以完全变
30、成热，热不能完全变成功C改改进进热热机机的的生生产产工工艺艺，总总有有一一天天热热机机的的效效率率可可以以达达到到100%D气体向真空的自由膨胀是不可逆的气体向真空的自由膨胀是不可逆的易错分析：易错分析：易错选项及错误原因具分析如下：易错选项及错误原因具分析如下：正正确确解解答答：在在一一定定条条件件下下热热量量可可以以从从低低温温物物体体传传到到高高温温物物体体，A错错；在在一一定定条条件件下下热热可可以以全全部部变变成成功功，B错错；热热机机的的效效率率在在任任何何条条件件下下都都不不可可能能达达到到100%，C错错；一一切切宏宏观观自自然然过过程程的进行都具有方向性，的进行都具有方向性，D正确。正确。正确答案：正确答案：D易错选项易错选项错误原因错误原因A对热力学第二定律的克劳修斯表述不理解对热力学第二定律的克劳修斯表述不理解B对热力学第二定律开文尔表述不理解对热力学第二定律开文尔表述不理解C不清楚热机的工作原理不清楚热机的工作原理
