1、第 4 节第 5 节热力学第二定律热力学第二定律的微观解释目标导航 学习目标 1.知道与热现象有关的宏观过程具有方向性。2.能认识到热力学第二定律的不同表述方式是等效的。3.能说出第二类永动机的设想及不可能实现的原因。4.能说出热力学第二定律的微观本质及熵的概念和熵增加原理。重点难点 重点:1.对热力学第二定律两种表述的认识。2.对熵、熵的概念的理解及对相关问题的解释。难点:对“自发过程”的理解,对孤立系统的“熵”的认识。激趣诱思1.地球上有大量的海水,它的总质量约为 1.41018 t,只要这些海水的温度降低 0.1,就能放出 5.81023 J 的能量,这相当于 1 800万个功率为 10
2、0 万千瓦的核电站一年的发电量,为什么人们不去研究这种新能源呢?简答:原来这样做是不可能的,这涉及物理学的一个基本定律,这就是本节要学习的热力学第二定律。2.在热传递过程中,两个温度不同的物体放在一起,热量将自动地由高温物体传到低温物体,使二者温度相同。从微观角度看,高温与低温的区别在于分子的平均动能不同。如图所示,左边表示高温物体中的分子,右边表示低温物体中的分子。两物体接触后,内能从高温物体向低温物体传递,导致高温物体中的分子运动减慢,低温物体中的分子运动加快,直到两物体达到相同的中间温度为止。这个过程中,整个系统的无序程度增大还是减小了?简答:热传导这是个不可逆过程使无序程度增加了。预习
3、导引一、可逆与不可逆过程1.热传导的方向性:热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行,但相反方向却不能自发地进行,即热传导具有方向性,是一个不可逆的过程。高温物体低温物体2.“自发地”过程:当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响,热量就能从一个物体传向另一个物体。这个自发的方向是从高温物体指向低温物体。预习交流 1覆水难收、破镜难圆;水从高山流到河谷,不可能自己再返回高处;一滴墨水滴入一杯清水,会均匀地扩散开来,不可能再自动地凝成一滴墨水这些现象说明什么道理?答案:自然界的宏观过程不可能自动地逆向进行。要使它们逆向进行,就必须由外界对它们施加作用。二、热力
4、学第二定律1.克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。2.热机:热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸收热量 Q1,推动活塞做功 W,然后向冷凝器释放热量 Q2,由能量守恒定律可得 Q1=W+Q2。我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫作热机的效率,用 表示,即=1,因为 W0,U 不一定大于 0,即内能不一定增加 答案:BD迁移应用下列说法中正确的是()A.机械能全部转化为内能是不可能的B.第二类永动机不可能制造成功的原因是能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,只能从一个物体转移到另一个物体,或从一种形式转化成另一种形式C.根据热力学第二定律可知,热量不可能从
5、低温物体传到高温物体D.从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的解析:机械能可以全部转化为内能,故 A 错误;第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律,故 B 错误;热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但如果不是自发地,是可以进行的,故 C 错误;从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化,是不可能的,但如果是从单一热源吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他变化,是可能的,故 D 正确。答案:D二、对熵和熵增加原理的理解知识精要1.热力学第二定律的微观解释(1)一切自发过程总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)自发过程是不可逆转的过程,即不可能使大量分子
6、无规则的热运动转化为有序的运动。(3)大量分子无序运动状态变化的方向是向无序性增大的方向进行的,而一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行的。2.熵的意义熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态,也就是出现概率较大的宏观状态。在自发过程中熵总是增加的。3.用熵表示的热力学第二定律在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少。思考探究1.如图所示,一个箱子被挡板分为左右两室,左室有 4 个气体分子,右室为真空,撤去挡板后,气体自由扩散,以箱子内 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形。答案:宏观态
7、如:左 0 右 4,左 1 右 3,左 2 右 2,左 3 右 1,左 4 右 0;对应微观态数目: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.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:从无序的角度上看,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
8、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,气体系统中分子个数相当多,因此,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,一切自然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。典题例解【例 2】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
9、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思路点拨:(1)一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。(2)由于大量分子都在做无规则的运动,不会处在有序状态。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,而不是变成了无序,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,故选项 C、D 正确。答案:CD迁移应用质量相同、温度相同的水,如图所示分别处于
10、固态、液态和气态三种状态下,它们的熵的大小有什么关系?为什么?解析:根据大量分子运动对系统无序程度的影响,热力学第二定律又有一种表述:由大量分子组成的系统自发变化时,总是向着无序程度增加的方向发展,至少无序程度不会减少,这也就是说,任何一个系统自发变化时,系统的熵要么增加,要么不变,但不会减少。质量相同、温度相同的水,可以由固态自发地向液态、气态转化,所以,气态时的熵最大,其次是液态,固态时的熵最小。答案:见解析理解热力学第二定律的实质案例探究根据热力学第二定律,下列判断正确的有()A.热机中燃气的内能不可能全部变成机械能B.电流的能不可能全部变成内能C.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部变
11、成电能D.在热传导中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体解析:凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化,总是遵循“机械能可全部转化为内能,而内能不能全部转化为机械能”,故 A 正确。火力发电机发电时,能量转化的过程为内能机械能电能,因为内能机械能的转化过程中会对外放出热量,故燃气的内能必然不能全部变为电能,C 正确。热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行,必须借助外界的帮助,结果会带来其他影响,这正是热力学第二定律第一种(克氏)表述的主要思想,故 D 正确。由电流热效应中的焦耳定律可知,电流的能可以全部转化为内能,故 B 错。答案:ACD方法规律热力
12、学第二定律的两种表述是等价的,都说明一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。其中“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借助其他物体提供能量等的帮助。思悟升华热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性,使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。1.关于热学现象和热学规律,下列说法中正确的是()A.将地球上所有海水的温度降低 0.2,以放出大量的内能供人类使用B.布朗运动是液体分子的运动,它说明液体分子永不停息地做无规则的运动C.在热传递中,热量一定是从内能多的物体传向内能少的物体D.在热传递中,热
13、量一定是从温度高的物体流向温度低的物体解析:自然界一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性,A、C 错;布朗运动不是液体分子的运动,而是固体颗粒的运动,B 错。故只有选项 D 正确。答案:D2.根据热力学第二定律可知,下列说法中正确的是()A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体B.热量能够从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传到高温物体C.没有外界的帮助,机械能可以全部转化为内能,但内能不可以全部转化为机械能D.没有外界的帮助,机械能可以全部转化为内能,内能也可以全部转化为机械能解析:根据热传递的规律可知,热量可以自发地从高温物体传到低温物体,但不能自发地(不需要外
14、界帮助)从低温物体传到高温物体,借助外界的帮助,热量可以从低温物体传到高温物体,选项 A 错误,B正确;没有外界的帮助,机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功而最终停止运动时,机械能全部转化为内能),但内能不能全部转化为机械能,选项 C 正确,D 错误。答案:BC3.关于两类永动机和热力学两个规律,下列说法中正确的是()A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,热传递也不一定改变内能,但同时做功和热传递一定会改变内能D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的
15、,从单一热源吸收热量,完全变成功也是可能的解析:第一类永动机违反热力学第一定律,第二类永动机违反热力学第二定律,A、B 项错误;由热力学第一定律可知 W0,Q0,但U=W+Q 可以等于 0,C 项错误;由热力学第二定律可知 D 中现象是可能的,但不引起其他变化是不可能的,D 项正确。答案:D4.关于热力学定律和分子动理论,下列说法正确的是()A.一定量气体吸收热量,其内能一定增加B.不可能使热量由低温物体传递到高温物体C.若两分子间距离增大,分子势能一定增大D.若两分子间距离减小,分子间引力和斥力都增大解析:一定量气体吸收热量的同时对外做功,则其内能可能不变或减少,选项 A 错误;在外力做功的
16、前提下,热量可以由低温物体传递到高温物体,选项 B 错误;若两分子间距增大,分子力可能做正功或负功,其分子势能可能减小或增大,选项 C 错误;根据分子动理论可知,若分子之间的距离减小,分子间的引力和斥力都增大,选项 D 正确。答案:D5.热力学第二定律常见的表述方式有两种,其一: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;其二: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。第一种表述方式可以用图甲来表示,根据你对第二种表述的理解,如果也用类似的示意图来表示,你认为图乙示意图中正确的是()解析:由题图甲可知,使热量由低温物体传递到高温物体必伴随着压缩机的做功,即引起其他变化;对于第二种方式,热机工作时,从高温物体吸收热量,只有一部分用来对外做功,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温物体,故选项 B 正确,选项 A、C、D 错误。答案:B