(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
8页1、*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
2、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
3、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
4、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
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