高中物理 第10章 第4、5節(jié) 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋課件 新人教版選修3-3.ppt

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成才之路 物理,路漫漫其修遠兮 吾將上下而求索,人教版 選修3-3,熱力學(xué)定律,第十章,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,第十章,覆水難收 君不見黃河之水天上來 奔流到海不復(fù)回 大家是否發(fā)現(xiàn)一些事件的發(fā)展過程具有方向性、不可逆性？,,熱力學(xué)第二定律的一種表述,1．可逆與不可逆過程(熱傳導(dǎo)的方向性) 熱傳導(dǎo)的過程可以自發(fā)地由________物體向________物體進行，但相反方向卻不能________進行，即熱傳導(dǎo)具有________性，是一個不可逆過程。 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。,高溫,低溫,自發(fā)地,方向,低溫,高溫,熱力學(xué)第二定律的另一種表述,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)一切宏觀自然過程的進行都具有________。 (2)氣體向真空的自由膨脹是________的。,單一熱庫,功,方向性,不可逆,1．有序 只要確定了某種規(guī)則，________這個規(guī)則的就叫做有序。 2．無序 不符合某種________的稱為無序。 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)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。,有序和無序 宏觀態(tài)和微觀態(tài),符合,確定規(guī)則,符合,另外,氣體向真空的擴散,熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著分子熱運動的_____________的方向進行。,無序性增大,1．熵 (1)微觀狀態(tài)的數(shù)目用Ω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)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的________決定。從分子動理論的觀點來看，熵是分子熱運動_____________程度的定量量度。 2．熵增加原理 在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵________，叫做熵增加原理。對于其他情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。,熵及熵增加原理,klnΩ,狀態(tài),無序(混亂),不會減小,一、熱力學(xué)第二定律理解中的幾個問題 1．單一熱庫 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，從而可以對外做功。據(jù)報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。,2．其他影響 指除了從單一熱庫吸收的熱量，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吸收熱量而對外做功，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)生其他影響的自動熱傳遞是不可能的。,3．關(guān)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?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝猓^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)的宏觀過程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴展到無限的宇宙。 5．兩種表述是等價的 兩種表述都揭示了熱現(xiàn)象宏觀過程的方向性。兩種表述可以相互推導(dǎo)。,二、熱力學(xué)第二定律與第一定律的比較,一種冷暖兩用型空調(diào)，銘牌標注：輸入功率1kW，制冷能力1.2104kJ/h，制熱能力1.3104kJ/h。這樣，該空調(diào)在制熱時，每消耗1J電能，將放出3J多熱量，是指標錯誤還是能量不守恒？ 答案：都不是?？照{(diào)制冷(制熱)靠壓縮機做功，從室內(nèi)(室外)吸收熱量放到室外(室內(nèi))。在制熱時，放出的熱量等于消耗的電能與從室外吸收的熱量之和，完全可以大于電能消耗。這既不違背熱力學(xué)第一定律，也不違背熱力學(xué)第二定律。,三、有序、無序的含義 1．“無序”意味著各處一樣、平均、沒有差別，而有序則正好相反。 2．“有序”與“無序”是相對的。 四、熵的含義 “有序”和“無序”是相對而言的，是從有序程度上講的，熵是宏觀態(tài)無序程度的量度，熵越高，意味著宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，即越無序，熵越低即越有序。,五、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。換一種角度看，初始我們根據(jù)溫度的高低來區(qū)分兩個物體，而終了狀態(tài)兩個物體上的溫度處處相同，無法區(qū)別，我們就說系統(tǒng)的無序程度增加了。 同理可知，在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，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。,成語“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不可能再倒回盆中的。請從不同宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目不同這個角度，解釋為什么水不會自發(fā)地聚到盆中。,,答案：由于盆的形狀確定，水在盆中所處的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目少，較為有序。當(dāng)把水潑出后，它的形狀不受盆的限制，各種可能的形狀都有，此時所處的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目將變得非常多，較為無序。因為自發(fā)的過程總是從有序向無序發(fā)展，所以水不會自發(fā)地聚到盆中。,下列說法正確的是( ) A．機械能全部變成內(nèi)能是不可能的 B．第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式 C．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體 D．從單一熱源吸收的熱量全部變成功是可能的,熱力學(xué)第二定律的理解,解析：機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。故A錯；第二類永動機不可能制造成功是因為它違背了熱力學(xué)第二定律，故B項錯；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但如果不是自發(fā)地，是可以進行的，故C項錯；從單一熱源吸收熱量全部用來做功而不引起其他變化，是不可能的，但如果是從單一熱源吸收熱量全部變?yōu)楣Φ耐瑫r也引起了其他的變化，是可能的，故D項對。 答案：D 點評：本題易錯選C，原因是忽略了在“引起其他變化”時，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體。,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，但不漏氣?，F(xiàn)將活塞桿與外界連接，使其緩慢地向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并通過桿對外做功。若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說法正確的是( ),,A．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，因此此過程違反熱力學(xué)第二定律 B．氣體從單一熱源吸熱，但并未全用來對外做功，所以此過程不違反熱力學(xué)第二定律 C．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但此過程不違反熱力學(xué)第二定律 D．ABC三種說法都不對 答案：C,解析：熱力學(xué)第二定律從機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來描述是：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。本題中如果沒有外界的幫助，比如外力拉動活塞桿使活塞向右移動，使氣體膨脹對外做功，導(dǎo)致氣體溫度略微降低，是不可能從外界吸收熱量的，即這一過程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但引起了其他變化，所以此過程不違反熱力學(xué)第二定律。,關(guān)于熱力學(xué)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,熱力學(xué)第二定律的微觀意義,解析：分子熱運動是大量分子無規(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，C、D項正確。 答案：CD 點評：熱傳遞過程是大量分子由無序程度小轉(zhuǎn)化為無序程度大的過程，體現(xiàn)了自然過程的方向。,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)大量分子運動對系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學(xué)第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少。這也就是說，任何一個系統(tǒng)自發(fā)變化時，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會減少。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)時的熵最大，其次是液體，固態(tài)時的熵最小。,炎炎夏日，甲、乙兩位同學(xué)在充滿涼意的空調(diào)室內(nèi)，就空調(diào)機的工作過程是否遵循熱力學(xué)第二定律的問題發(fā)生了爭論。 甲同學(xué)說：空調(diào)機工作時，不斷地把熱量從室內(nèi)傳到室外，即從低溫物體傳到高溫物體，可見它并不遵循熱力學(xué)第二定律。 乙同學(xué)說：熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)系統(tǒng)的普遍規(guī)律，空調(diào)機的工作過程不可能違反它。 兩人各執(zhí)一詞，都無法使對方信服。請你對他們的論點作出評價。,開放探究,解析：空調(diào)機和電冰箱都是制冷機，它們的工作原理基本相同。為了便于解析，我們以電冰箱為研究對象，認識它的基本結(jié)構(gòu)和工作過程。從冰箱的原理圖可以知道，電冰箱由壓縮機、冷凝器、毛細管(節(jié)流閥)、蒸發(fā)器四個部分組成。這四個部分由管道連接，組成一個密閉的連通器系統(tǒng)，制冷劑作為工作物質(zhì)，由管道輸送，經(jīng)過這四個部分，完成工作循環(huán)。,,壓縮機是電冰箱的“心臟”，它消耗電能對來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽做功，使它變成高溫高壓的蒸汽(如p≈9.1atm，t≈46℃)。然后這些高溫高壓的蒸汽來到冷凝器，向低溫的環(huán)境(空氣)放熱，同時自身被冷卻而凝成低溫高壓的液體(如p＝8.9atm，t＝37.4℃)。這些低溫高壓的液態(tài)制冷劑由過濾器濾掉水分和雜質(zhì)，進入毛細管，經(jīng)節(jié)流閥膨脹，變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊后w(如p≈1.5atm，t≈－20℃)，隨后進入電冰箱的蒸發(fā)器。在那里，這些低溫低壓的液態(tài)制冷劑在低壓條件下迅速汽化，從外界(電冰箱內(nèi))吸收大量的熱量，使那兒的溫度降低。這樣就完成了一個制冷循環(huán)。由此可見乙同學(xué)的論點正確。,一盆水在寒冷的天氣中放在戶外就要結(jié)冰，液態(tài)水的分子無序度比冰高。那么，結(jié)冰的過程違反熵增加原理嗎？為什么？ 答案：液體的水比冰的無序度大，但我們看孤立系統(tǒng)的熵，而不是看個別不孤立的物體。一盆水在寒冷的天氣中并不是孤立系統(tǒng)，因為水與外界大氣有能量交換。熵增加原理是指的孤立遵守能量守恒的系統(tǒng)。本說法中，水與大氣為一個孤立系統(tǒng)，水結(jié)冰時放熱，使周圍大氣、地面、分子內(nèi)能增加，無序度增加，系統(tǒng)總熵值是增加的，并不違反該原理。,易錯點：對熱力學(xué)第二定律的理解存在誤區(qū) 案例：下列說法正確的是( ) 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．改進熱機的生產(chǎn)工藝，總有一天熱機的效率可以達到100% D．氣體向真空的自由膨脹是不可逆的,易錯分析：易錯選項及錯誤原因具分析如下： 正確解答：在一定條件下熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，A錯；在一定條件下熱可以全部變成功，B錯；熱機的效率在任何條件下都不可能達到100%，C錯；一切宏觀自然過程的進行都具有方向性，D正確。 正確答案：D,