（課改地區(qū)專用）2018-2019學年高考物理總復習 2.5 熱力學第二定律的微觀解釋學案.doc
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2.5 熱力學第二定律的微觀解釋 學習目標 核心提煉 1.知道有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。 4個概念——有序、無序、宏觀態(tài)、微觀態(tài) 1個原理——熵增加原理 2.了解熱力學第二定律的微觀意義，了解熵的概念及用熵的概念表示的熱力學第二定律。 熱力學第二定律的微觀解釋 1.有序和無序：一個系統(tǒng)的個體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個體分布沒有(選填“有”或“沒有”)確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序。 2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)：系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)。 一個“宏觀態(tài)”對應的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的。 3.熱力學第二定律的微觀意義 (1)氣體向真空的擴散：氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的。 (2)熱力學第二定律的微觀意義：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。 4.熵及熵增加原理 (1)熵：表達式S＝kln Ω，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀態(tài)的數(shù)目，S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，稱為熵。 (2)熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。 思考判斷 (1)一個系統(tǒng)中個體排列的“有序”和“無序”是絕對的。() (2)一個宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)數(shù)目較多，則熵越大。(√) (3)熵值越大代表著越有序。() (4)孤立系統(tǒng)的總熵可能增大，也可能減小。() 熱力學第二定律的微觀解釋 [要點歸納] 1.熱力學第二定律的微觀解釋 (1)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。 (2)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。 (3)換一種角度看，初始狀態(tài)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。 (4)在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，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。 2.熱力學第二定律的微觀意義 (1)熱力學第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過程都只能在一個方向上發(fā)生，而不會可逆地在相反的方向上出現(xiàn)。它指出在能量得以平衡的眾多過程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生。 (2)自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時間的方向性。所以，“熵”又常常被稱為“時間箭頭”。 3.熵和熵增加原理 (1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動能大小一樣。系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個系統(tǒng)的熵越大。 (2)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。也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是由熱力學概率小的狀態(tài)向熱力學概率大的狀態(tài)進行。從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會使熵減小。 (3)任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有一定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過程中產(chǎn)生或傳遞。 [精典示例] [例] 下列關(guān)于熱力學第二定律微觀意義的說法正確的是( ) A.從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 B.一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行 C.有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行 D.在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵總減小 解析 熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，A正確；從熱力學第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行，B、C錯誤；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是熵增加的方向進行，故D錯誤。 答案 A 有序及無序過程的判斷 (1)解此類題目要理解好有序和無序，確定某種規(guī)則，符合這個規(guī)則和要求的就是有序的，不符合這個規(guī)則和要求的分布是無序的。 (2)無序意味著各處平均沒有差別；而有序則相反，是按照某種規(guī)則排列的，有序與無序是相對的?！ ? [針對訓練] (多選)從微觀角度看，下列說法正確的是( ) A.熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 B.一個非孤立的系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展 C.一個宏觀狀態(tài)所對應的微觀狀態(tài)越多，越是無序，熵值越大 D.出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大 解析 一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行。熵是用來描述系統(tǒng)大量分子運動無序性程度的。在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，也就是說，一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。反映了一個孤立系統(tǒng)的自然過程會沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。對于一個非孤立的系統(tǒng)，在與外界有能量交換時其熵也有可能變小，故B錯誤，A、C、D正確。 答案 ACD 1.(熱力學第二定律的微觀解釋)(多選)關(guān)于熱力學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 解析 分子熱運動是大量分子的無規(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，故選項C、D正確。 答案 CD 2.(熵概念的理解)(多選)關(guān)于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是( ) A.系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小 B.系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小 C.系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展 D.系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展 解析 在孤立體系中發(fā)生的實際過程，其系統(tǒng)的總熵總是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯誤；根據(jù)熵增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故C正確，D錯誤。 答案 AC 基礎(chǔ)過關(guān) 1.(多選)倒一杯熱水，然后加入適量的糖后，糖會全部溶于水中，但一段時間后又觀察到杯底部有糖結(jié)晶，關(guān)于這個過程下列敘述正確的是( ) A.溶解過程是自發(fā)的，結(jié)晶過程也是自發(fā)的，因此熱力學第二定律是錯誤的 B.溶解過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程 C.結(jié)晶過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程 D.結(jié)晶過程不是自發(fā)的，因為有外界的影響 解析 溶解過程是自發(fā)的，是由有序向無序轉(zhuǎn)變的過程；結(jié)晶過程不是自發(fā)的，通常是由于水溫降低或水的蒸發(fā)引起，是由無序向有序的轉(zhuǎn)變過程，故選項B、D正確，A、C錯誤。 答案 BD 2.(多選)下列關(guān)于熵的觀點中正確的是( ) A.熵越大，系統(tǒng)的無序度越大 B.對于一個不可逆絕熱過程，其熵總不會減小 C.氣體向真空擴散時，熵值減小 D.自然過程中熵總是增加的，是因為通向無序的渠道要比通向有序的渠道多得多 解析 熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，熵越大，其無序度越大，選項A正確；一個不可逆絕熱過程，其宏觀狀態(tài)對應微觀態(tài)數(shù)目增大，其熵會增加，不會減小，選項B正確；氣體向真空中擴散，無序度增大，熵值增大，選項C錯誤；自然過程中，無序程度較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率大，因而通向無序的渠道多，選項D正確。 答案 ABD 3.(多選)下列關(guān)于氣體在真空中的擴散規(guī)律的敘述中正確的是( ) A.氣體分子數(shù)越小，擴散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 B.氣體分子數(shù)越大，擴散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 C.擴散到真空容器中的分子在整個容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)目越大 D.氣體向真空中擴散時，總是向著分子熱運動的無序性增大的方向進行 解析 由熱力學第二定律的微觀解釋“一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大方向進行”和熵的概念可知，A、C、D正確。 答案 ACD 4.已知一個系統(tǒng)的兩個宏觀態(tài)甲、乙，及對應微觀態(tài)的個數(shù)分別為較少、較多，則下列關(guān)于對兩個宏觀態(tài)的描述及過程自發(fā)的可能方向的說法中正確的是( ) A.甲比較有序，乙比較無序，甲→乙 B.甲比較無序，乙比較有序，甲→乙 C.甲比較有序，乙比較無序，乙→甲 D.甲比較無序，乙比較有序，乙→甲 解析 一個宏觀態(tài)對應微觀態(tài)的多少標志了宏觀態(tài)的無序程度，從中還可以推知系統(tǒng)自發(fā)的方向，微觀態(tài)數(shù)目越多，表示越無序，一切自然過程總沿著無序性增大的方向進行，A正確，B、C、D錯誤。 答案 A 能力提升 5.(多選)關(guān)于熵，下列說法中正確的是( ) A.熵值越大，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無序程度越高 B.熵值越小，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無序程度越高 C.熵值越大，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序 D.熵值越小，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序 答案 AD 6.用隔板將一絕熱容器隔成A和B兩部分，A中盛有一定質(zhì)量的理想氣體，B為真空(如圖1甲所示)，現(xiàn)把隔板抽去，A中的氣體自動充滿整個容器(如圖乙所示)，這個過程稱為氣體的自由膨脹，下列說法正確的是( ) 圖1 A.自由膨脹過程中，氣體分子只做定向運動 B.自由膨脹前后，氣體的壓強不變 C.自由膨脹前后，氣體的溫度不變 D.容器中的氣體在足夠長的時間內(nèi)，能全部自動回到A部分 解析 由分子動理論知，氣體分子的熱運動是永不停息地做無規(guī)則運動，故選項A錯誤；由能量守恒定律知，氣體膨脹前后內(nèi)能不變，又因一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，所以氣體的溫度不變，故選項C正確；由＝常量，所以氣體壓強變小，故選項B錯誤；由熱力學第二定律知，真空中氣體膨脹具有方向性，在無外界影響的情況下，容器中的氣體不能自發(fā)地全部回到容器的A部分，故選項D錯誤。 答案 C 7.如圖2所示，質(zhì)量、溫度相同的酒精，分別處于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關(guān)系？為什么？ 圖2 解析 根據(jù)大量分子運動對系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學第二定律的另一種表述是：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。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、溫度相同的酒精，可以由固態(tài)自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉(zhuǎn)化，所以氣態(tài)的酒精熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時熵最小。 答案 S固下載提示(請認真閱讀)
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