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2019年高中物理第十章熱力學定律4熱力學第二定律5熱力學第二定律的微觀解釋學案(新人教版)選修3-3 [學習目標] 1.通過自然界中傳熱的方向性等實例，初步了解熱力學第二定律，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制成的原因.2.能運用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移以及宏觀自然過程的方向性問題.3.了解有序和無序，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、熱力學第二定律的克勞修斯表述 [導學探究]　熱傳遞的方向性能否簡單理解為“熱量不會從低溫物體傳給高溫物體”？ 答案　不能．兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(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，這個過程是自發(fā)進行的，不需要任何外界的影響或者幫助，有時我們也能實現(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)地進行的，需要消耗電能． [知識梳理] (1)熱傳導的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的． (2)熱力學第二定律的克勞修斯表述：德國物理學家克勞修斯在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、熱力學第二定律的開爾文表述 [導學探究]　如圖1所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖，通過此圖思考以下問題： 圖1 (1)制冷機工作時熱量是自發(fā)地從低溫熱庫傳到高溫熱庫嗎？ (2)熱機工作時能否將從高溫熱庫吸收的熱量全部用來做功？ 答案　(1)不是　(2)不能 [知識梳理] (1)熱機 ①熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能．第二個階段是工作物質(zhì)對外做功，把自己的內(nèi)能變成機械能． ②熱機的效率η：熱機輸出的機械功與燃料產(chǎn)生的熱量的比值，用公式表示為η＝.熱機的效率不可能達到100%. (2)開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響．(該表述闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性) (3)熱力學第二定律的其他描述 ①一切宏觀自然過程的進行都具有方向性． ②氣體向真空的自由膨脹是不可逆的． ③第二類永動機是不可能制成的． (4)第二類永動機 ①定義：只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C． ②第二類永動機不可能制成的原因：雖然第二類永動機不違反能量守恒定律，但大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱庫，熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫熱庫． 三、熱力學第二定律的微觀解釋 [導學探究]　 (1)如圖2所示，一個箱子被擋板均勻分為左、右兩室，左室有4個氣體分子a、b、c、d，右室為真空，撤去擋板后，氣體自由擴散，以箱子內(nèi)的4個分子為模型，說明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學第二定律說明，氣體擴散后4個分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情況． 圖2 (2)試著從無序的角度談談上面問題中為什么“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；對應的微觀態(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)從無序的角度看，熱力學系統(tǒng)是由大量做無序運動的分子組成的．因為任何熱力學過程都伴隨著分子的無序運動狀態(tài)的變化，當撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對于左、右兩室這一個整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當氣體分子自由擴散后，氣體系統(tǒng)就變得無序了．我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子集中在一個室中，另一個室變成真空的可能性最?。畬嶋H上，當氣體系統(tǒng)中分子個數(shù)相當多時，撤去擋板后實際上我們只能看到氣體向真空中擴散，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，氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的，綜上可知，一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學第二定律的微觀意義． [知識梳理] (1)有序和無序：一個系統(tǒng)的個體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個體分布沒有(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)個體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)． 一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的． (3)熱力學第二定律的微觀意義 ①氣體向真空的擴散：氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的． ②熱力學第二定律的微觀意義：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行． (4)熵及熵增加原理 ①熵：表達式S＝kln Ω，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀態(tài)的數(shù)目，S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，稱為熵． ②熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小. 一、對熱力學第二定律的理解 在熱力學第二定律的表述中，“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．在傳遞過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或不需借助其他物體提供能量等． 2．關于“不可能”：實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫以外，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何曲折復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)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響．如吸熱、放熱、做功等． 例1　根據(jù)熱力學第二定律可知，下列說法中正確的是(　　) 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做功，而不引起其他變化的熱機是可以實現(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　熱力學第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關的物理過程的方向性，機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機械能必須借助外部的幫助，即會引起其他變化，A選項正確，B選項錯誤；熱傳遞過程也具有方向性，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(外界對系統(tǒng)做功)，故C選項錯誤，D選項正確． (1)一切物理過程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理過程不一定均能實現(xiàn). (2)熱力學第二定律的兩種表述分別對應著一種“不可能”，但都有一個前提條件“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吸收熱量，使之完全用來做功.但不是自發(fā)的或是產(chǎn)生了其他影響. 二、熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較 (1)兩個定律比較：熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的具體表現(xiàn)形式，在轉(zhuǎn)化的過程中，總的能量保持不變．熱力學第二定律是指在有限的時間和空間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關的物理過程、化學過程具有不可逆性． (2)兩類永動機的比較： 第一類永動機：不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去)． 第二類永動機：將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)． (3)第一類永動機和第二類永動機都不可能制成 第一類永動機的設想違背了能量守恒定律；第二類永動機的設想不違背能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律． 例2　關于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列論述正確的是(　　) A．熱力學第一定律指出內(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，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學第一定律和熱力學第二定律 答案　B 解析　熱力學第一定律是能量守恒在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn)，而熱力學第二定律則指出內(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A、C、D錯誤，B正確． 例3　第二類永動機不可能制成是因為(　　) A．違背了能量守恒定律 B．違背了熱力學第二定律 C．機械能不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 D．內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不產(chǎn)生其他影響 答案　BD 三、熱力學第二定律的微觀意義 1．熱力學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規(guī)則的熱運動，但是高溫物體中分子熱運動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程中，低溫物體分子運動的劇烈程度會逐漸加劇，即低溫物體的溫度升高了，而高溫物體分子運動的劇烈程度會減緩，即高溫物體的溫度降低了．所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體． (2)機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的方向性：在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程． 2．熱力學第二定律的微觀意義：熱力學第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過程都只能在一個方向上發(fā)生，而不會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程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生． 3．對熵的四點理解 (1)熵的微觀意義：熵是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運動無序性的量度． (2)熵是表示一個體系自由度的物理量．熵越大，表示在這個體系下的自由度越大，可能達到的狀態(tài)越多． (3)熵不是守恒的量，在孤立體系中經(jīng)過一個不可逆過程，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　關于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法正確的是(　　) A．大量分子無規(guī)則的熱運動能夠自動轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\動 B．熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 C．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 D．一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行 答案　CD 解析　分子熱運動是大量分子的無規(guī)則運動，系統(tǒng)的一個宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個無序的運動，根據(jù)熵增加原理，熱運動的結(jié)果只能使分子熱運動更加無序，而不是變成了有序，熱傳遞的自然過程從微觀上講就是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，故選C、D. (1)一切自發(fā)過程都是不可逆的，總是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)展的過程，即無序性增加的過程. (2)傳熱過程是大量分子由無序程度小的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化為無序程度大的運動狀態(tài)的過程，體現(xiàn)了熱傳遞的方向性. 例5　下列關于熵的說法中錯誤的是(　　) A．熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度 B．在自然過程中一個孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的 C．熱力學第二定律也叫做熵減小原理 D．熵值越大代表著越無序 答案　C 解析　一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學第二定律的微觀意義．系統(tǒng)的熱力學過程就是大量分子向無序程度大的狀態(tài)變化的過程．自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的熵值不會減小，因此熱力學第二定律又稱為熵增加原理．故A、B、D說法正確，C說法錯誤. 1．(熱力學第二定律的理解)下列說法中正確的是(　　) A．一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 B．一切不違反能量守恒定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的 C．由熱力學第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進行 D．一切物理過程都不可能自發(fā)地進行 答案　AC 解析　熱力學第二定律指出了熱現(xiàn)象的方向性，而同時也指出了發(fā)生這些單一方向的過程的條件——自發(fā)，這也就說明了這些過程中的一些，其逆過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．(熱力學第二定律的應用)下列說法正確的是(　　) A．熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體 B．外界對物體做功，物體的內(nèi)能必定增加 C．第二類永動機不可能制成，是因為違背了能量守恒定律 D．電冰箱雖然可以從低溫物體吸收熱量，但不違反熱力學第二定律 答案　D 解析　根據(jù)熱力學第二定律，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，壓縮機工作，消耗了電能，同時熱量由冰箱內(nèi)的低溫物體傳遞到冰箱外的高溫物體，所以選項A錯誤；外界對物體做功的同時，物體可能放熱，物體的內(nèi)能不一定增加，所以選項B錯誤；第二類永動機不可能制成，并不違背能量守恒定律，但它違背了熱力學第二定律中熱機效率必小于1的表述，因此它不可能制成，所以選項C錯誤；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D正確． 3．(熱力學定律的理解)關于熱現(xiàn)象和熱學規(guī)律，下列說法中正確的是(　　) A．隨著低溫技術的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并最終達到絕對零度 B．熱量是不可能從低溫物體傳遞給高溫物體的 C．熱力學第一定律和熱力學第二定律是相互獨立的 D．熱力學第二定律的兩種表述是等效的 答案　CD 4．(熱力學第二定律的微觀意義)下列關于熱力學第二定律微觀意義的說法正確的是(　　) A．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 B．一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行 C．有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行 D．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵會減小 答案　A 解析　熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，A對；從熱力學第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行，B、C錯；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是熵增加的方向進行，故D錯．所以選A. 5．(熵)對于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是(　　) 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)向更無序的狀態(tài)發(fā)展 D．系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(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)生的實際過程，其系統(tǒng)的總熵是增加的，它不可能減小，故選項A正確，B錯誤．根據(jù)熵增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故選項C正確，D錯誤．