2019年高中物理第十章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋學(xué)案(新人教版)選修3-3學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.通過(guò)自然界中傳熱的方向性等實(shí)例，初步了解熱力學(xué)第二定律，并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不能制成的原因.2.能運(yùn)用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移以及宏觀自然過(guò)程的方向性問(wèn)題.3.了解有序和無(wú)序，知道宏觀態(tài)和微觀態(tài)知道熵的概念，了解熵增加原理一、熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述導(dǎo)學(xué)探究熱傳遞的方向性能否簡(jiǎn)單理解為“熱量不會(huì)從低溫物體傳給高溫物體”？答案不能兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高，這個(gè)過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的，不需要任何外界的影響或者幫助，有時(shí)我們也能實(shí)現(xiàn)熱量從低溫物體傳給高溫物體，如電冰箱，但這不是自發(fā)地進(jìn)行的，需要消耗電能知識(shí)梳理(1)熱傳導(dǎo)的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的(2)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述，闡述的是傳熱的方向性二、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示是制冷機(jī)和熱機(jī)的工作過(guò)程示意圖，通過(guò)此圖思考以下問(wèn)題：圖1(1)制冷機(jī)工作時(shí)熱量是自發(fā)地從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)嗎？(2)熱機(jī)工作時(shí)能否將從高溫?zé)釒?kù)吸收的熱量全部用來(lái)做功？答案(1)不是(2)不能知識(shí)梳理(1)熱機(jī)熱機(jī)工作的兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外做功，把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能熱機(jī)的效率：熱機(jī)輸出的機(jī)械功與燃料產(chǎn)生的熱量的比值，用公式表示為.熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%.(2)開爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響(該表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)(3)熱力學(xué)第二定律的其他描述一切宏觀自然過(guò)程的進(jìn)行都具有方向性氣體向真空的自由膨脹是不可逆的第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的(4)第二類永動(dòng)機(jī)定義：只從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因：雖然第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但大量的事實(shí)證明，在任何情況下，熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱庫(kù)，熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓Γ筒豢杀苊獾貙⒁徊糠譄崃總鹘o低溫?zé)釒?kù)三、熱力學(xué)第二定律的微觀解釋導(dǎo)學(xué)探究 (1)如圖2所示，一個(gè)箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有4個(gè)氣體分子a、b、c、d，右室為真空，撤去擋板后，氣體自由擴(kuò)散，以箱子內(nèi)的4個(gè)分子為模型，說(shuō)明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學(xué)第二定律說(shuō)明，氣體擴(kuò)散后4個(gè)分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情況圖2(2)試著從無(wú)序的角度談?wù)勆厦鎲?wèn)題中為什么“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，能否由此得出熱力學(xué)第二定律的微觀意義？答案(1)可能的宏觀態(tài)有：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目：1、4、6、4、1.不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中分子分布的最大一種可能情況是左2右2，最小一種可能情況是左0右4或左4右0.(2)從無(wú)序的角度看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無(wú)序運(yùn)動(dòng)的分子組成的因?yàn)槿魏螣崃W(xué)過(guò)程都伴隨著分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對(duì)于左、右兩室這一個(gè)整體來(lái)講，這顯然是一種高度有序的分布，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就變得無(wú)序了我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個(gè)室中，另一個(gè)室變成真空的可能性最小實(shí)際上，當(dāng)氣體系統(tǒng)中分子個(gè)數(shù)相當(dāng)多時(shí)，撤去擋板后實(shí)際上我們只能看到氣體向真空中擴(kuò)散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室中的現(xiàn)象因此，氣體的自由擴(kuò)散過(guò)程是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的，綜上可知，一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義知識(shí)梳理(1)有序和無(wú)序：一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個(gè)體分布沒有(選填“有”或“沒有”)確定的要求，“怎樣分布都可以”即無(wú)序(2)宏觀態(tài)和微觀態(tài)：系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)一個(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的(3)熱力學(xué)第二定律的微觀意義氣體向真空的擴(kuò)散：氣體的自由擴(kuò)散過(guò)程是沿著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行(4)熵及熵增加原理熵：表達(dá)式Skln ，k表示玻耳茲曼常量，表示一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目，S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度，稱為熵熵增加原理：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小.一、對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不可能”“不產(chǎn)生其他影響”的涵義1“自發(fā)地”是指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性在傳遞過(guò)程中不會(huì)對(duì)其他物體產(chǎn)生影響或不需借助其他物體提供能量等2關(guān)于“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱庫(kù)吸收熱量對(duì)外做功，以及熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)以外，過(guò)程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何曲折復(fù)雜的辦法都不可能加以消除3“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響如吸熱、放熱、做功等例1根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，下列說(shuō)法中正確的是()A不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化B沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來(lái)做功，而不引起其他變化的熱機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)的C制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中，而不引起其他變化D不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化答案AD解析熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程的方向性，機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須借助外部的幫助，即會(huì)引起其他變化，A選項(xiàng)正確，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；熱傳遞過(guò)程也具有方向性，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體，必然要引起其他變化(外界對(duì)系統(tǒng)做功)，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確(1)一切物理過(guò)程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理過(guò)程不一定均能實(shí)現(xiàn).(2)熱力學(xué)第二定律的兩種表述分別對(duì)應(yīng)著一種“不可能”，但都有一個(gè)前提條件“自發(fā)地”或“不產(chǎn)生其他影響”，如果去掉這種前提條件，就都是有可能的.例如電冰箱的作用就是使熱量從低溫物體傳到高溫物體，等溫膨脹就是從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全用來(lái)做功.但不是自發(fā)的或是產(chǎn)生了其他影響.二、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的比較(1)兩個(gè)定律比較：熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的具體表現(xiàn)形式，在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，總的能量保持不變熱力學(xué)第二定律是指在有限的時(shí)間和空間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程具有不可逆性(2)兩類永動(dòng)機(jī)的比較：第一類永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動(dòng)后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去)第二類永動(dòng)機(jī)：將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個(gè)熱源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)(3)第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)都不可能制成第一類永動(dòng)機(jī)的設(shè)想違背了能量守恒定律；第二類永動(dòng)機(jī)的設(shè)想不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律例2關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列論述正確的是()A熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的B內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會(huì)產(chǎn)生其他影響，故兩條定律并不矛盾C兩條定律都是有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì)區(qū)別D其實(shí)，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律答案B解析熱力學(xué)第一定律是能量守恒在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn)，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能和其他形式能發(fā)生轉(zhuǎn)化的方向性，兩者并不矛盾，選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)誤，B正確例3第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)?)A違背了能量守恒定律B違背了熱力學(xué)第二定律C機(jī)械能不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能D內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不產(chǎn)生其他影響答案BD三、熱力學(xué)第二定律的微觀意義1熱力學(xué)第二定律的微觀解釋(1)熱傳遞的方向性：高溫物體和低溫物體中的分子都在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，但是高溫物體中分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率要大于低溫物體所以在高溫物體分子與低溫物體分子的碰撞過(guò)程中，低溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)逐漸加劇，即低溫物體的溫度升高了，而高溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)減緩，即高溫物體的溫度降低了所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來(lái)看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體(2)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的方向性：在通過(guò)做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過(guò)程中，自然過(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程2熱力學(xué)第二定律的微觀意義：熱力學(xué)第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過(guò)程都只能在一個(gè)方向上發(fā)生，而不會(huì)可逆地在相反的方向上出現(xiàn)它指出在能量得以平衡的眾多過(guò)程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生3對(duì)熵的四點(diǎn)理解(1)熵的微觀意義：熵是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度(2)熵是表示一個(gè)體系自由度的物理量熵越大，表示在這個(gè)體系下的自由度越大，可能達(dá)到的狀態(tài)越多(3)熵不是守恒的量，在孤立體系中經(jīng)過(guò)一個(gè)不可逆過(guò)程，熵總是增加的(4)熵的本質(zhì)：熵是體系微觀混亂度的量度，混亂度越大，熵值也越大例4關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說(shuō)法正確的是()A大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)B熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程C熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程D一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行答案CD解析分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏觀過(guò)程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個(gè)無(wú)序的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)熵增加原理，熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動(dòng)更加無(wú)序，而不是變成了有序，熱傳遞的自然過(guò)程從微觀上講就是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，故選C、D.(1)一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆的，總是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)展的過(guò)程，即無(wú)序性增加的過(guò)程.(2)傳熱過(guò)程是大量分子由無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過(guò)程，體現(xiàn)了熱傳遞的方向性.例5下列關(guān)于熵的說(shuō)法中錯(cuò)誤的是()A熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序性的量度B在自然過(guò)程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的C熱力學(xué)第二定律也叫做熵減小原理D熵值越大代表著越無(wú)序答案C解析一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程就是大量分子向無(wú)序程度大的狀態(tài)變化的過(guò)程自然過(guò)程的方向性可以表述為：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值不會(huì)減小，因此熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理故A、B、D說(shuō)法正確，C說(shuō)法錯(cuò)誤.1(熱力學(xué)第二定律的理解)下列說(shuō)法中正確的是()A一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性B一切不違反能量守恒定律的物理過(guò)程都是可能實(shí)現(xiàn)的C由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行D一切物理過(guò)程都不可能自發(fā)地進(jìn)行答案AC解析熱力學(xué)第二定律指出了熱現(xiàn)象的方向性，而同時(shí)也指出了發(fā)生這些單一方向的過(guò)程的條件自發(fā)，這也就說(shuō)明了這些過(guò)程中的一些，其逆過(guò)程在某些條件下是可以發(fā)生的，但也有的是不可能發(fā)生的2(熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用)下列說(shuō)法正確的是()A熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體B外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能必定增加C第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`背了能量守恒定律D電冰箱雖然可以從低溫物體吸收熱量，但不違反熱力學(xué)第二定律答案D解析根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體，在發(fā)生其他變化的前提下，熱量可以由低溫物體傳遞到高溫物體，例如電冰箱制冷時(shí)，壓縮機(jī)工作，消耗了電能，同時(shí)熱量由冰箱內(nèi)的低溫物體傳遞到冰箱外的高溫物體，所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤；外界對(duì)物體做功的同時(shí)，物體可能放熱，物體的內(nèi)能不一定增加，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，并不違背能量守恒定律，但它違背了熱力學(xué)第二定律中熱機(jī)效率必小于1的表述，因此它不可能制成，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電冰箱雖然從低溫物體吸收了熱量，但產(chǎn)生了其他影響，消耗了電能，選項(xiàng)D正確3(熱力學(xué)定律的理解)關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學(xué)規(guī)律，下列說(shuō)法中正確的是()A隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并最終達(dá)到絕對(duì)零度B熱量是不可能從低溫物體傳遞給高溫物體的C熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是相互獨(dú)立的D熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的答案CD4(熱力學(xué)第二定律的微觀意義)下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀意義的說(shuō)法正確的是()A從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行C有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行D在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵會(huì)減小答案A解析熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，A對(duì)；從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過(guò)程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行，B、C錯(cuò)；任何自然過(guò)程總是朝著無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行，也就是熵增加的方向進(jìn)行，故D錯(cuò)所以選A.5(熵)對(duì)于孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過(guò)程，下列說(shuō)法中正確的是()A系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小B系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無(wú)序的狀態(tài)發(fā)展D系統(tǒng)逐漸從比較無(wú)序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展答案AC解析在孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過(guò)程，其系統(tǒng)的總熵是增加的，它不可能減小，故選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤根據(jù)熵增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無(wú)序的狀態(tài)發(fā)展，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤