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(yuǎn)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(jiàn)黃河之水天上來(lái) 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(guò)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(guò)程(熱傳導(dǎo)的方向性) 熱傳導(dǎo)的過(guò)程可以自發(fā)地由________物體向________物體進(jìn)行，但相反方向卻不能________進(jìn)行，即熱傳導(dǎo)具有________性，是一個(gè)不可逆過(guò)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(kāi)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(guò)程的進(jìn)行都具有________。 (2)氣體向真空的自由膨脹是________的。,單一熱庫(kù),功,方向性,不可逆,1．有序 只要確定了某種規(guī)則，________這個(gè)規(guī)則的就叫做有序。 2．無(wú)序 不符合某種________的稱為無(wú)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(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài)。,有序和無(wú)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(kuò)散,熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的_____________的方向進(jìn)行。,無(wú)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(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的________決定。從分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，熵是分子熱運(yùn)動(dòng)_____________程度的定量量度。 2．熵增加原理 在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵________，叫做熵增加原理。對(duì)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(wú)序(混亂),不會(huì)減小,一、熱力學(xué)第二定律理解中的幾個(gè)問(wèn)題 1．單一熱庫(kù) 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(jī)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(duì)外做功。據(jù)報(bào)道，有些國(guó)家已在研究利用海水上下溫度不同來(lái)發(fā)電。,2．其他影響 指除了從單一熱庫(kù)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(kù)吸收熱量而對(duì)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(dòng)熱傳遞是不可能的。,3．關(guān)于“不可能” 實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱庫(kù)吸收熱量對(duì)外做功，以及熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)以外，過(guò)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(guò)程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴(kuò)展到無(wú)限的宇宙。 5．兩種表述是等價(jià)的 兩種表述都揭示了熱現(xiàn)象宏觀過(guò)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(biāo)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(shí)，每消耗1J電能，將放出3J多熱量，是指標(biāo)錯(cuò)誤還是能量不守恒？ 答案：都不是?？照{(diào)制冷(制熱)靠壓縮機(jī)做功，從室內(nèi)(室外)吸收熱量放到室外(室內(nèi))。在制熱時(shí)，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(wú)序的含義 1．“無(wú)序”意味著各處一樣、平均、沒(méi)有差別，而有序則正好相反。 2．“有序”與“無(wú)序”是相對(duì)的。 四、熵的含義 “有序”和“無(wú)序”是相對(duì)而言的，是從有序程度上講的，熵是宏觀態(tài)無(wú)序程度的量度，熵越高，意味著宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多，即越無(wú)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(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，但是高溫物體中分子熱運(yùn)動(dòng)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(guò)程中，低溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)逐漸加劇，即低溫物體的溫度升高了。而高溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)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(lái)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(lái)區(qū)分兩個(gè)物體，而終了狀態(tài)兩個(gè)物體上的溫度處處相同，無(wú)法區(qū)別，我們就說(shuō)系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了。 同理可知，在通過(guò)做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過(guò)程中，是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。,成語(yǔ)“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(qǐng)從不同宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目不同這個(gè)角度，解釋為什么水不會(huì)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(duì)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(shí)所處的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目將變得非常多，較為無(wú)序。因?yàn)樽园l(fā)的過(guò)程總是從有序向無(wú)序發(fā)展，所以水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。,下列說(shuō)法正確的是( ) A．機(jī)械能全部變成內(nèi)能是不可能的 B．第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制造成功的原因是因?yàn)槟芰考炔粫?huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。故A錯(cuò)；第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制造成功是因?yàn)樗`背了熱力學(xué)第二定律，故B項(xiàng)錯(cuò)；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(jìn)行的，故C項(xiàng)錯(cuò)；從單一熱源吸收熱量全部用來(lái)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(shí)也引起了其他的變化，是可能的，故D項(xiàng)對(duì)。 答案：D 點(diǎn)評(píng)：本題易錯(cuò)選C，原因是忽略了在“引起其他變化”時(shí)，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。現(xiàn)將活塞桿與外界連接，使其緩慢地向右移動(dòng)，這樣氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)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(shuō)法正確的是( ),,A．氣體是從單一熱源吸熱，全用來(lái)對(duì)外做功，因此此過(guò)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(lái)對(duì)外做功，所以此過(guò)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(lái)對(duì)外做功，但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律 D．ABC三種說(shuō)法都不對(duì) 答案：C,解析：熱力學(xué)第二定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性來(lái)描述是：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化。本題中如果沒(méi)有外界的幫助，比如外力拉動(dòng)活塞桿使活塞向右移動(dòng)，使氣體膨脹對(duì)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(guò)程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來(lái)對(duì)外做功，但引起了其他變化，所以此過(guò)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(shuō)法正確的是( ) A．大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng) B．熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程 C．熱傳遞的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程 D．一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行,熱力學(xué)第二定律的微觀意義,解析：分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏觀過(guò)程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個(gè)無(wú)序的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)熵增加原理，熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動(dòng)更加無(wú)序，而不是變成了有序，熱傳遞的自然過(guò)程從微觀上講就是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，C、D項(xiàng)正確。 答案：CD 點(diǎn)評(píng)：熱傳遞過(guò)程是大量分子由無(wú)序程度小轉(zhuǎn)化為無(wú)序程度大的過(guò)程，體現(xiàn)了自然過(guò)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(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無(wú)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(shí)，總是向著無(wú)序程度增加的方向發(fā)展，至少無(wú)序程度不會(huì)減少。這也就是說(shuō)，任何一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會(huì)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(shí)的熵最大，其次是液體，固態(tài)時(shí)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(jī)的工作過(guò)程是否遵循熱力學(xué)第二定律的問(wèn)題發(fā)生了爭(zhēng)論。 甲同學(xué)說(shuō)：空調(diào)機(jī)工作時(shí)，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(jiàn)它并不遵循熱力學(xué)第二定律。 乙同學(xué)說(shuō)：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(jī)的工作過(guò)程不可能違反它。 兩人各執(zhí)一詞，都無(wú)法使對(duì)方信服。請(qǐng)你對(duì)他們的論點(diǎn)作出評(píng)價(jià)。,開(kāi)放探究,解析：空調(diào)機(jī)和電冰箱都是制冷機(jī)，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(duì)象，認(rèn)識(shí)它的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。從冰箱的原理圖可以知道，電冰箱由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管(節(jié)流閥)、蒸發(fā)器四個(gè)部分組成。這四個(gè)部分由管道連接，組成一個(gè)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(guò)這四個(gè)部分，完成工作循環(huán)。,,壓縮機(jī)是電冰箱的“心臟”，它消耗電能對(duì)來(lái)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(lái)到冷凝器，向低溫的環(huán)境(空氣)放熱，同時(shí)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(guò)濾器濾掉水分和雜質(zhì)，進(jìn)入毛細(xì)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(jìn)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(gè)制冷循環(huán)。由此可見(jiàn)乙同學(xué)的論點(diǎn)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(wú)序度比冰高。那么，結(jié)冰的過(guò)程違反熵增加原理嗎？為什么？ 答案：液體的水比冰的無(wú)序度大，但我們看孤立系統(tǒng)的熵，而不是看個(gè)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?yàn)樗c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(shuō)法中，水與大氣為一個(gè)孤立系統(tǒng)，水結(jié)冰時(shí)放熱，使周?chē)髿?、地面、分子?nèi)能增加，無(wú)序度增加，系統(tǒng)總熵值是增加的，并不違反該原理。,易錯(cuò)點(diǎn)：對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解存在誤區(qū) 案例：下列說(shuō)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(jìn)熱機(jī)的生產(chǎn)工藝，總有一天熱機(jī)的效率可以達(dá)到100% D．氣體向真空的自由膨脹是不可逆的,易錯(cuò)分析：易錯(cuò)選項(xiàng)及錯(cuò)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(cuò)；在一定條件下熱可以全部變成功，B錯(cuò)；熱機(jī)的效率在任何條件下都不可能達(dá)到100%，C錯(cuò)；一切宏觀自然過(guò)程的進(jìn)行都具有方向性，D正確。 正確答案：D,