第10章 第4、5節(jié)

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1、物 理選 修 3-3 人 教 版 第 十 章 熱 力 學(xué) 定 律 第四節(jié)熱力學(xué)第二定律第五節(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 了 解 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 多 種 表 述 知 道 熱 傳 導(dǎo) 及 宏 觀 過(guò) 程 的 方 向 性 了 解 熱 力 學(xué) 第 二 學(xué) 定 律 的 微 觀 解 釋 知 道 熵 及 熵 增 加 原 理 1 課 前 預(yù) 習(xí)2 課 內(nèi) 探 究3 素 養(yǎng) 提 升4 課 堂 達(dá) 標(biāo)5 課 時(shí) 作 業(yè) 課 前 預(yù) 習(xí) 1 可 逆 與 不 可 逆 過(guò) 程 (熱 傳 導(dǎo) 的 方 向 性 ) 熱 傳 導(dǎo) 的 過(guò) 程 可 以 自 發(fā) 地 由 _物 體 向 _物 體進(jìn) 行 ， 但 相 反 方

2、 向 卻 不 能 _進(jìn) 行 ， 即 熱 傳 導(dǎo) 具 有_性 ， 是 一 個(gè) 不 可 逆 過(guò) 程 。 2 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 一 種 表 述 (克 勞 修 斯 表 述 ) 熱 量 不 能 自 發(fā) 地 從 _物 體 傳 遞 到 _物 體 。熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 一 種 表 述高 溫 低 溫自 發(fā) 地 方 向低 溫 高 溫 1 開 爾 文 表 述 不 可 能 從 _吸 收 熱 量 ， 使 之 完 全 變 成 _， 而不 產(chǎn) 生 其 他 影 響 。 2 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 其 他 描 述 (1)一 切 宏 觀 自 然 過(guò) 程 的 進(jìn) 行 都 具 有 _。 (2)氣 體

3、 向 真 空 的 自 由 膨 脹 是 _的 。 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 另 一 種 表 述單 一 熱 庫(kù) 功方 向 性不 可 逆 1 有 序 只 要 確 定 了 某 種 規(guī) 則 ， _這 個(gè) 規(guī) 則 的 就 叫 做 有 序 。 2 無(wú) 序 不 符 合 某 種 _的 稱 為 無(wú) 序 。 3 宏 觀 態(tài) _某 種 規(guī) 定 、 規(guī) 則 的 狀 態(tài) ， 叫 做 熱 力 學(xué) 系 統(tǒng) 的 宏 觀態(tài) 。 4 微 觀 態(tài) 在 宏 觀 狀 態(tài) 下 ， 符 合 _的 規(guī) 定 、 規(guī) 則 的 狀 態(tài) 叫 做 這個(gè) 宏 觀 態(tài) 的 微 觀 態(tài) 。有 序 和 無(wú) 序 宏 觀 態(tài) 和 微 觀 態(tài)符 合確 定 規(guī)

4、則符 合 另 外 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 微 觀 意 義 ： 一 切 自 然 過(guò) 程 總 是 沿 著 分 子熱 運(yùn) 動(dòng) 的 _的 方 向 進(jìn) 行 。氣 體 向 真 空 的 擴(kuò) 散無(wú) 序 性 增 大 1 熵 (1)微 觀 狀 態(tài) 的 數(shù) 目 用 表 示 ， 用 S表 示 熵 ， 則 S _， k稱 為 玻 耳 茲 曼 常 數(shù) 。 (2)熵 和 系 統(tǒng) 內(nèi) 能 一 樣 都 是 一 個(gè) 狀 態(tài) 函 數(shù) ， 僅 由 系 統(tǒng) 的_決 定 。 從 分 子 動(dòng) 理 論 的 觀 點(diǎn) 來(lái) 看 ， 熵 是 分 子 熱 運(yùn)動(dòng) _程 度 的 定 量 量 度 。 2 熵 增 加 原 理 在 任 何 自 然 過(guò)

5、程 中 ， 一 個(gè) 孤 立 系 統(tǒng) 的 總 熵 _， 叫 做熵 增 加 原 理 。 對(duì) 于 其 他 情 況 ， 系 統(tǒng) 的 熵 可 能 增 加 ， 也 可 能減 小 。 熵 及 熵 增 加 原 理 kln 狀 態(tài) 無(wú) 序 (混 亂 ) 不 會(huì) 減 小 判 一 判 (1)機(jī) 械 能 可 以 完 全 轉(zhuǎn) 化 為 內(nèi) 能 。 ( ) (2)內(nèi) 能 不 可 能 完 全 轉(zhuǎn) 化 為 機(jī) 械 能 。 ( ) (3)能 夠 制 成 的 熱 機(jī) 既 不 違 背 能 量 守 恒 定 律 ， 也 不 違 背 熱 力學(xué) 第 二 定 律 。 ( ) (4)一 個(gè) 系 統(tǒng) 中 個(gè) 體 排 列 的 “ 有 序 ” 和 “

6、 無(wú) 序 ” 是 絕 對(duì) 的 。( ) (5)一 個(gè) 宏 觀 態(tài) 所 對(duì) 應(yīng) 的 微 觀 態(tài) 數(shù) 目 越 多 ， 則 熵 越 大 。 ( ) 選 一 選 下 列 說(shuō) 法 正 確 的 是 ( ) A 熱 量 不 能 從 低 溫 物 體 傳 到 高 溫 物 體 B 功 可 以 完 全 變 成 熱 ， 熱 不 能 完 全 變 成 功 C 改 進(jìn) 熱 機(jī) 的 生 產(chǎn) 工 藝 ， 總 有 一 天 熱 機(jī) 的 效 率 可 以 達(dá) 到100% D 氣 體 向 真 空 的 自 由 膨 脹 是 不 可 逆 的 解 析 ：在一定條件下熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，A錯(cuò)；在一定條件下熱可以全部變成功，B錯(cuò)；熱機(jī)的

7、效率在任何條件下都不可能達(dá)到100%，C錯(cuò)；一切宏觀自然過(guò)程的進(jìn)行都具有方向性，D正確。D 想 一 想 成 語(yǔ) 語(yǔ) “ 覆 水 難 收 ” 指 的 是 一 盆 水 潑出 去 后 是 不 可 能 再 倒 回 盆 中 的 。 請(qǐng) 從不 同 宏 觀 態(tài) 所 對(duì) 應(yīng) 的 微 觀 態(tài) 數(shù) 目 不 同這 個(gè) 角 度 ， 解 釋 為 什 么 水 不 會(huì) 自 發(fā) 地聚 到 盆 中 。 課 內(nèi) 探 究 一 種 冷 暖 兩 用 型 空 調(diào) ， 銘 牌 標(biāo) 注 ： 輸 入 功率 1kW， 制 冷 能 力 1.2 104kJ/h， 制 熱 能力 1.3 104kJ/h。 這 樣 ， 該 空 調(diào) 在 制 熱時(shí) ， 每

8、消 耗 1J電 能 ， 將 放 出 3J多 熱 量 ， 是指 標(biāo) 錯(cuò) 誤 還 是 能 量 不 守 恒 ？探 究 一 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 理 解 1 單 一 熱 庫(kù) 指 溫 度 均 勻 并 且 恒 定 不 變 的 系 統(tǒng) 。 若 一 系 統(tǒng) 各 部 分 溫 度 不相 同 或 者 溫 度 不 穩(wěn) 定 ， 則 構(gòu) 成 機(jī) 器 的 工 作 物 質(zhì) 可 以 在 不 同溫 度 的 兩 部 分 之 間 工 作 ， 從 而 可 以 對(duì) 外 做 功 。 據(jù) 報(bào) 道 ， 有些 國(guó) 家 已 在 研 究 利 用 海 水 上 下 溫 度 不 同 來(lái) 發(fā) 電 。 2 其 他 影 響 指 除 了 從 單 一 熱

9、 庫(kù) 吸 收 的 熱 量 ， 以 及 所 做 的 功 以 外 的 其 他一 切 影 響 ； 或 者 除 了 從 低 溫 物 體 吸 收 熱 量 、 高 溫 物 體 得 到相 同 的 熱 量 外 ， 其 他 一 切 影 響 和 變 化 。 不 是 不 能 從 單 一 熱庫(kù) 吸 收 熱 量 而 對(duì) 外 做 功 ， 而 是 這 樣 做 的 結(jié) 果 ， 一 定 伴 隨 著其 他 變 化 或 影 響 。 同 樣 ， 也 不 是 熱 量 不 能 從 低 溫 物 體 傳 到高 溫 物 體 ， 而 是 指 不 產(chǎn) 生 其 他 影 響 的 自 動(dòng) 熱 傳 遞 是 不 可 能的 。 3 關(guān) 于 “ 不 可 能 ”

10、 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 熱 庫(kù) 傳 到 高 溫 熱 庫(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 。 4 適 用 條 件 只 能 適 用 于 由 很 大 數(shù) 目 分 子 所 構(gòu) 成 的 系 統(tǒng) 及 有 限 范 圍 內(nèi) 的宏 觀 過(guò) 程 。 而 不 適 用 于 少 量 的 微 觀 體 系 ， 也 不 能 把 它 擴(kuò) 展到 無(wú) 限 的 宇 宙 。 5 兩 種 表 述

11、是 等 價(jià) 的 兩 種 表 述 都 揭 示 了 熱 現(xiàn) 象 宏 觀 過(guò) 程 的 方 向 性 。 兩 種 表 述 可以 相 互 推 導(dǎo) 。 根 據(jù) 熱 力 學(xué) 定 律 ， 下 列 判 斷 正 確 的 是 ( ) A 我 們 可 以 把 火 爐 散 失 到 周 圍 環(huán) 境 中 的 能 量 全 部 收 集 到火 爐 中 再 次 用 來(lái) 取 暖 B 利 用 淺 層 海 水 和 深 層 海 水 間 的 溫 度 差 制 造 出 一 種 熱 機(jī)， 將 海 水 的 一 部 分 內(nèi) 能 轉(zhuǎn) 化 為 機(jī) 械 能 ， 這 在 原 理 上 是 可 行的 C 制 冷 系 統(tǒng) 能 將 冰 箱 內(nèi) 的 熱 量 傳 給 外

12、界 較 高 溫 度 的 空 氣， 而 不 引 起 其 他 變 化 D 滿 足 能 量 守 恒 定 律 的 客 觀 過(guò) 程 都 可 以 自 發(fā) 地 進(jìn) 行B 解 題 指 導(dǎo) ： 利 用 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 解 決 問(wèn) 題 時(shí) ： (1)明 確 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 兩 種 表 述 是 等 效 的 。 其 實(shí) 質(zhì) 是 自然 界 中 進(jìn) 行 的 所 有 涉 及 熱 現(xiàn) 象 的 宏 觀 物 理 過(guò) 程 都 具 有 方 向性 。 (2)特 別 注 意 “ 不 產(chǎn) 生 其 他 影 響 ” 和 “ 產(chǎn) 生 其 他 影 響 ” 。 熱量 可 以 從 低 溫 物 體 傳 到 高 溫 物 體 ，

13、 但 要 “ 產(chǎn) 生 其 他 影 響 ”。 (3)熱 機(jī) 的 效 率 總 是 小 于 1， 因 為 它 總 要 向 低 溫 熱 源 散 熱 。 解 析 ：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，所以不能把散失的能量全部收集起來(lái)重新加以利用，A錯(cuò)；由熱力學(xué)第二定律可知，B正確；熱量從低溫物體傳給高溫物體時(shí)一定會(huì)發(fā)生其他變化，C錯(cuò)；只滿足能量守恒定律而不滿足熱力學(xué)第二定律的過(guò)程是不可能發(fā)生的，D錯(cuò)。 對(duì) 點(diǎn) 訓(xùn) 練 1 如 圖 中 氣 缸 內(nèi) 盛 有 定 量 的 理 想氣 體 ， 氣 缸 壁 是 導(dǎo) 熱 的 ， 缸 外 環(huán) 境 保 持 恒 溫， 活 塞 與 氣 缸 壁 的 接 觸 是 光 滑 的 ，

14、 但 不 漏 氣。 現(xiàn) 將 活 塞 桿 與 外 界 連 接 ， 使 其 緩 慢 地 向 右移 動(dòng) ， 這 樣 氣 體 將 等 溫 膨 脹 并 通 過(guò) 桿 對(duì) 外 做功 。 若 已 知 理 想 氣 體 的 內(nèi) 能 只 與 溫 度 有 關(guān) ，則 下 列 說(shuō) 法 正 確 的 是 ( ) C 解 析 ：熱力學(xué)第二定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性來(lái)描述是：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。本題中如果沒有外界的幫助，比如外力拉動(dòng)活塞桿使活塞向右移動(dòng)，使氣體膨脹對(duì)外做功，導(dǎo)致氣體溫度略微降低，是不可能從外界吸收熱量的，即這一過(guò)程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來(lái)對(duì)外做功，但引起了

15、其他變化，所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律。 如 圖 將 一 滴 紅 墨 水 滴 入 一 杯 清 水 中 ， 紅 墨 水 會(huì) 逐 漸 擴(kuò) 散 到整 杯 水 中 ， 呈 均 勻 分 布 ， 試 說(shuō) 明 這 個(gè) 過(guò) 程 中 熵 的 變 化 。 提 示 ： 墨 水 原 來(lái) 處 于 較 小 的 空 間 (一 滴 )， 無(wú) 序 度 小 ， 后 來(lái)處 于 較 大 空 間 ， 無(wú) 序 度 大 ， 故 熵 變 大 。探 究 二 對(duì) 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 微 觀 意 義 的 理 解 1 有 序 、 無(wú) 序 的 含 義 (1)“ 無(wú) 序 ” 意 味 著 各 處 一 樣 、 平 均 、 沒 有 差 別 ， 而

16、有 序 則正 好 相 反 。 (2)“ 有 序 ” 與 “ 無(wú) 序 ” 是 相 對(duì) 的 。 2 熵 的 含 義 “ 有 序 ” 和 “ 無(wú) 序 ” 是 相 對(duì) 而 言 的 ， 是 從 有 序 程 度 上 講 的， 熵 是 宏 觀 態(tài) 無(wú) 序 程 度 的 量 度 ， 熵 越 高 ， 意 味 著 宏 觀 態(tài) 所對(duì) 應(yīng) 的 微 觀 態(tài) 數(shù) 目 越 多 ， 即 越 無(wú) 序 ， 熵 越 低 即 越 有 序 。 3 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的 微 觀 解 釋 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

17、 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 。 換 一 種 角 度 看， 初 始 我 們 根 據(jù) 溫 度 的 高 低 來(lái) 區(qū) 分

18、 兩 個(gè) 物 體 ， 而 終 了 狀 態(tài)兩 個(gè) 物 體 上 的 溫 度 處 處 相 同 ， 無(wú) 法 區(qū) 別 ， 我 們 就 說(shuō) 系 統(tǒng) 的無(wú) 序 程 度 增 加 了 。 同 理 可 知 ， 在 通 過(guò) 做 功 使 系 統(tǒng) 內(nèi) 能 增 加 的 過(guò) 程 中 ， 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 。 (多 選 )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 為 有 序 運(yùn) 動(dòng) B 熱 傳 遞 的 自 然 過(guò) 程 是 大

19、 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 解 題 指 導(dǎo) ： 熱 傳 遞 過(guò) 程 是 大 量 分 子 由 無(wú) 序 程 度 小 轉(zhuǎn) 化 為 無(wú)序 程 度 大 的 過(guò) 程 ， 體 現(xiàn) 了 自 然 過(guò) 程 的 方 向 。 CD 解 析 ：分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏觀過(guò)程包含

20、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，C、D項(xiàng)正確。 對(duì) 點(diǎn) 訓(xùn) 練 2 如 圖 ， 質(zhì) 量 、 溫 度 相 同 的 水 ， 分 別 處 于 固態(tài) 、 液 態(tài) 和 氣 態(tài) 三 種 狀 態(tài) 下 ， 它 們 的 熵 的 大 小 有 什 么 關(guān) 系？ 為 什 么 ？ 答 案 ： 根 據(jù) 大 量 分 子 運(yùn) 動(dòng) 對(duì) 系 統(tǒng) 無(wú) 序 程 度 的 影 響 ， 熱 力 學(xué)第 二 定 律 又 有 一 種 表 述 ： 由 大 量 分 子 組 成 的

21、 系 統(tǒng) 自 發(fā) 變 化時(shí) ， 總 是 向 著 無(wú) 序 程 度 增 加 的 方 向 發(fā) 展 ， 至 少 無(wú) 序 程 度 不會(huì) 減 少 。 這 也 就 是 說(shuō) ， 任 何 一 個(gè) 系 統(tǒng) 自 發(fā) 變 化 時(shí) ， 系 統(tǒng) 的熵 要 么 增 加 ， 要 么 不 變 ， 但 不 會(huì) 減 少 。 質(zhì) 量 相 同 ， 溫 度 相同 的 水 ， 可 以 由 固 體 自 發(fā) 地 向 液 體 、 氣 態(tài) 轉(zhuǎn) 化 ， 所 以 ， 氣態(tài) 時(shí) 的 熵 最 大 ， 其 次 是 液 體 ， 固 態(tài) 時(shí) 的 熵 最 小 。 素 養(yǎng) 提 升 1 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 與 第 一 定 律 的 比 較 2.兩 類 永 動(dòng)

22、機(jī) 的 比 較 關(guān) 于 兩 類 永 動(dòng) 機(jī) 和 熱 力 學(xué) 的 兩 個(gè) 定 律 ， 下 列 說(shuō) 法正 確 的 是 ( ) A 第 一 類 永 動(dòng) 機(jī) 不 可 能 制 成 是 因 為 違 反 了 熱 力 學(xué) 第 二 定律 B 第 二 類 永 動(dòng) 機(jī) 不 可 能 制 成 是 因 為 違 反 了 熱 力 學(xué) 第 一 定律 C 由 熱 力 學(xué) 第 一 定 律 可 知 做 功 不 一 定 改 變 內(nèi) 能 ， 傳 熱 也不 一 定 改 變 內(nèi) 能 ， 但 同 時(shí) 做 功 和 傳 熱 一 定 會(huì) 改 變 內(nèi) 能 D 由 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 可 知 熱 量 從 低 溫 物 體 傳 向 高 溫 物 體是 可 能 的 ， 從 單 一 熱 庫(kù) 吸 收 熱 量 ， 完 全 變 成 功 也 是 可 能 的D 解 析 ：第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第一定律可知當(dāng)W0，Q0時(shí)，UWQ可以等于0，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知選項(xiàng)D中現(xiàn)象是可能的，但一定會(huì)產(chǎn)生其他影響，選項(xiàng)D正確。 課 堂 達(dá) 標(biāo) 課 時(shí) 作 業(yè)