高中物理 熱力學(xué)第二定律 熵—無序程度的量度課件 魯科版選修3-3.ppt

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,,高中物理·選修3-3·魯科版,,,第3節(jié) 熱力學(xué)第二定律 第4節(jié) 熵——無序程度的量度,[目標(biāo)定位] 1.了解自然過程的方向性． 2.知道熱力學(xué)第二定律的表述并能用于解釋第二類永動機(jī)不可能制成的原因． 3．了解熵的概念及熵加原理，并能解釋生活中的有關(guān)現(xiàn)象．,一、自然過程的方向性 1．可逆過程和不可逆過程： (1)可逆過程：系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時(shí)消除原來過程對外界的 ，則 稱為可逆過程． (2)不可逆過程：如果用任何方法都不能使 和 完全復(fù)原，則原來過程稱為 ．,一切影響,原來的過程,系統(tǒng),外界,不可逆過程,2．熱傳導(dǎo)的方向性： (1)熱量可以自發(fā)地由 物體傳給 物體． (2)熱量不能自發(fā)地由 物體傳給 物體，而不引起其他變化． (3)熱傳遞是 過程，具有 ． 3．功和熱相互轉(zhuǎn)變的方向性： (1)功轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇@一熱現(xiàn)象是不可逆的，具有 ． (2)熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣@一熱現(xiàn)象也是不可逆的，具有 ． 4．結(jié)論：凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有 ．,高溫,低溫,低溫,高溫,不可逆,方向性,方向性,方向性,方向性,二、熱力學(xué)第二定律的表述 1．第一種表述(克勞修斯表述)：不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而 其他變化．(說明熱傳導(dǎo)的方向性) 2．第二種表述(開爾文表述)：不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ? 變化．(說明機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性),不引起,不引起其他,3．第二類永動機(jī)不可能制成： (1)第二類永動機(jī)是指人們設(shè)想的從單一熱源吸取熱量并使之 而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器． (2)熱力學(xué)第二定律也可以表述為： 永動機(jī)是不可能制成的．,完全轉(zhuǎn)化為功,第二類,三、熵和熵增加原理 1．定義：用來量度系統(tǒng) 的物理量叫做熵． 2．熵增加原理：在孤立系統(tǒng)中，一切不可逆過程必然朝著 的方向進(jìn)行．孤立系統(tǒng)是指與外界既沒有物質(zhì)交換也沒有 交換的系統(tǒng).,無序程度,熵增加,能量,一、對熱力學(xué)第二定律的理解 1．兩種表述的實(shí)質(zhì)： (1)克勞修斯表述指明熱傳遞等熱學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助，其物理實(shí)質(zhì)是揭示了熱傳遞過程是不可逆的． (2)開爾文表述中的“單一熱源”指溫度恒定且均勻的熱源．“不引起其他變化”是指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化．其物理實(shí)質(zhì)揭示了熱變功過程是不可逆的．,2．熱力學(xué)第二定律的普遍性：熱力學(xué)第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識到自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的．,【例1】 根據(jù)熱力學(xué)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(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)的物理過程的方向性，機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，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，即會引起其他變化，A選項(xiàng)正確、B選項(xiàng)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(xiàng)錯誤、D選項(xiàng)正確．,借題發(fā)揮 (1)一切物理過程均遵守能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，但遵守能量守恒的物理過程不一定均能實(shí)現(xiàn)． (2)熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵在于“自發(fā)性”和“方向性”．,針對訓(xùn)練 關(guān)于空調(diào)機(jī)，下列說法正確的是 ( ) A．制冷空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量從低溫物體傳到高溫物體 B．制暖空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量從高溫物體傳到低溫物體 C．冷暖空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量既可以從低溫物體傳到高溫物體，也可以從高溫物體傳到低溫物體 D．冷暖空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量只能從低溫物體傳到高溫物體 答案 ABC 解析 空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，因?yàn)檫@里有外界做功．,二、兩個熱力學(xué)定律及兩類永動機(jī)的比較 1．兩個定律比較：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)化的過程中，總的能量不變．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)的物理過程、化學(xué)過程具有不可逆性．,2．兩類永動機(jī)的比較： 第一類永動機(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后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動下去)．它違背了能量守恒定律． 第二類永動機(jī)：將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)．它違背了熱力學(xué)第二定律．,【例2】 下列說法正確的是 ( ) A．物體吸收熱量，其溫度一定升高 B．熱量只能從高溫物體向低溫物體傳遞 C．遵守?zé)崃W(xué)第一定律的過程一定能實(shí)現(xiàn) D．做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式 答案 D 解析 物體吸熱，溫度不一定升高，A錯．熱量只能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞，B錯．遵守?zé)崃W(xué)第一定律的過程不一定能實(shí)現(xiàn)，C錯．應(yīng)選D.,借題發(fā)揮 熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用技巧 (1)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，一定要考慮改變物體內(nèi)能的兩種方式，只有做功和熱傳遞兩方面都確定，才能確定物體內(nèi)能的變化． (2)熱力學(xué)第二定律的理解，關(guān)鍵是對熱現(xiàn)象宏觀過程的方向性的理解，要抓住“自發(fā)”和“不引起其他變化”等所表述的物理意義．,【例3】 第二類永動機(jī)不可能制成的原因是 ( ) A．違背了能量守恒定律 B．熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體 C．機(jī)械能不能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 D．內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化 答案 D 解析 第二類永動機(jī)的設(shè)想并不違背能量守恒定律，但是違背了熱力學(xué)第二定律，所以不可能制成．,借題發(fā)揮 凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，而不引起其他變化．,三、對熵和熵增加原理的理解 1．對熵的理解： (1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，這個系統(tǒng)的熵就越大． (2)在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加．,2．對熵增加原理的理解： (1)對于孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)而言，所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進(jìn)行．或者說，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會減?。@就是熵增加原理． (2)從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計(jì)規(guī)律，一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，熵值越大代表著越無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展．,【例4】 下列關(guān)于熵的觀點(diǎn)中正確的是 ( ) A．熵越大，系統(tǒng)的無序度越大 B．對于一個不可逆絕熱過程，其熵總不會減小 C．氣體向真空擴(kuò)散時(shí)，熵值減小 D．自然過程中熵總是增加的，是因?yàn)橥ㄏ驘o序的渠道要比通向有序的渠道多得多 答案 ABD,解析 熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動無序性的量度，熵越大，其無序度越大，選項(xiàng)A正確；一個不可逆絕熱過程，其宏觀狀態(tài)對應(yīng)微觀態(tài)數(shù)目增大，其熵會增加，不會減小，選項(xiàng)B正確；氣體向真空中擴(kuò)散，無序度增大，熵值增大，選項(xiàng)C錯誤；自然過程中，無序程度較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率大，因而通向無序的渠道多，選項(xiàng)D正確．,借題發(fā)揮 熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)是一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運(yùn)動無序程度增大的方向進(jìn)行． (1)這說明一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程是不可逆的，具有方向性． (2)熵增加原理是對自然過程的一種限制． (3)對于任何自然過程，總能量必定守恒，總熵必定增加.,