(江苏版)2018版高中物理第十章热力学定律4热力学第二定律5热力学第二定律的微观解释学案(新人教版)选修3-3

*4热力学第二定律*5热力学第二定律的微观解释学习目标 1.通过自然界中传热的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因.2.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题.3.了解有序和无序，知道宏观态和微观态知道熵的概念，了解熵增加原理一、热力学第二定律的克劳修斯表述导学探究热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？答案不能两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能知识梳理(1)热传导的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的(2)热力学第二定律的克劳修斯表述：德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的方向性二、热力学第二定律的开尔文表述导学探究如图1所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题：图1(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？(2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？答案(1)不是(2)不能知识梳理(1)热机热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能热机的效率：热机输出的机械功与燃料产生的热量的比值，用公式表示为.热机的效率不可能达到100%.(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)(3)热力学第二定律的其他描述一切宏观自然过程的进行都具有方向性气体向真空的自由膨胀是不可逆的第二类永动机是不可能制成的(4)第二类永动机定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化的热机第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库三、热力学第二定律的微观解释导学探究 (1)如图2所示，一个箱子被挡板均匀分为左、右两室，左室有4个气体分子a、b、c、d，右室为真空，撤去挡板后，气体自由扩散，以箱子内的4个分子为模型，说明具有哪些可能的宏观态和微观态，并用热力学第二定律说明，气体扩散后4个分子分布的最大一种可能和最小一种可能的情况图2(2)试着从无序的角度谈谈上面问题中为什么“左2右2”这种均匀分布的可能性最大，能否由此得出热力学第二定律的微观意义？答案(1)可能的宏观态有：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；对应的微观态数目：1、4、6、4、1.不同的宏观态包含着不同数量的微观态，其中分子分布的最大一种可能情况是左2右2，最小一种可能情况是左0右4或左4右0.(2)从无序的角度看，热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的因为任何热力学过程都伴随着分子的无序运动状态的变化，当撤去挡板的瞬间，分子仍聚集在左室，对于左、右两室这一个整体来讲，这显然是一种高度有序的分布，当气体分子自由扩散后，气体系统就变得无序了我们看到“左2右2”这种均匀分布的可能性最大，而分子集中在一个室中，另一个室变成真空的可能性最小实际上，当气体系统中分子个数相当多时，撤去挡板后实际上我们只能看到气体向真空中扩散，而不可能观察到气体分子重新聚集在一室中的现象因此，气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的，综上可知，一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义知识梳理(1)有序和无序：一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；个体分布没有(选填“有”或“没有”)确定的要求，“怎样分布都可以”即无序(2)宏观态和微观态：系统的宏观状态即宏观态，系统内个体的不同分布状态即微观态一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的(3)热力学第二定律的微观意义气体向真空的扩散：气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行(4)熵及熵增加原理熵：表达式Skln ，k表示玻耳兹曼常量，表示一个宏观状态所对应的微观态的数目，S表示系统内分子运动无序性的量度，称为熵熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小.一、对热力学第二定律的理解在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不可能”“不产生其他影响”的涵义1“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性在传递过程中不会对其他物体产生影响或不需借助其他物体提供能量等2关于“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除3“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响如吸热、放热、做功等例1根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是()A不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化B没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的C制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化D不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化答案AD解析热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A选项正确，B选项错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故C选项错误，D选项正确(1)一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定均能实现.(2)热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的.例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全用来做功.但不是自发的或是产生了其他影响.二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较(1)两个定律比较：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中，总的能量保持不变热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性(2)两类永动机的比较：第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去)第二类永动机：将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)(3)第一类永动机和第二类永动机都不可能制成第一类永动机的设想违背了能量守恒定律；第二类永动机的设想不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律例2关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是()A热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的B内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾C两条定律都是有关能量转化的规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别D其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律答案B解析热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和其他形式能发生转化的方向性，两者并不矛盾，选项A、C、D错误，B正确例3第二类永动机不可能制成是因为()A违背了能量守恒定律B违背了热力学第二定律C机械能不能全部转变为内能D内能不可能全部转化为机械能，而不产生其他影响答案BD三、热力学第二定律的微观意义1热力学第二定律的微观解释(1)热传递的方向性：高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高了，而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低了所以从宏观热现象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温物体传给低温物体(2)机械能转化为内能的方向性：在通过做功使系统内能增加的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程2热力学第二定律的微观意义：热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地在相反的方向上出现它指出在能量得以平衡的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发生3对熵的四点理解(1)熵的微观意义：熵是系统内分子热运动无序性的量度(2)熵是表示一个体系自由度的物理量熵越大，表示在这个体系下的自由度越大，可能达到的状态越多(3)熵不是守恒的量，在孤立体系中经过一个不可逆过程，熵总是增加的(4)熵的本质：熵是体系微观混乱度的量度，混乱度越大，熵值也越大例4关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是()A大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程C热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程D一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行答案CD解析分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，故选C、D.(1)一切自发过程都是不可逆的，总是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化发展的过程，即无序性增加的过程.(2)传热过程是大量分子由无序程度小的运动状态转化为无序程度大的运动状态的过程，体现了热传递的方向性.例5下列关于熵的说法中错误的是()A熵是系统内分子运动无序性的量度B在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的C热力学第二定律也叫做熵减小原理D熵值越大代表着越无序答案C解析一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理故A、B、D说法正确，C说法错误.1(热力学第二定律的理解)下列说法中正确的是()A一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可能实现的C由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行D一切物理过程都不可能自发地进行答案AC解析热力学第二定律指出了热现象的方向性