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第三章熱力學基礎(chǔ)第四節(jié)熱力學第二定律 高中物理 選修3 3 粵教版 目標定位 1 通過自然界中客觀過程的方向性 了解熱力學第二定律 2 了解熱力學第二定律的兩種不同表述 以及兩種表述的物理實質(zhì) 3 了解什么是第二類永動機 知道為什么它不能制成 4 了解熱力學第二定律的微觀實質(zhì) 5 了解熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量 一 熱傳導的方向性1 兩個溫度不同的物體互相接觸時 熱量會自發(fā)地從物體傳給物體 但不會自發(fā)地從物體傳給物體 這說明 熱傳導過程是有的 2 熱力學第二定律是一條反映自然界過程進行和的規(guī)律 預習導學 高溫 低溫 低溫 高溫 方向性 方向 條件 二 機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性1 機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程具有性 即機械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是可以進行的 內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能的過程 是不能進行的 要將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能 必然會引起其他影響 2 第二類永動機 1 定義從吸熱全部用來 而不引起其他變化的熱機 2 第二類永動機不可能制成的原因是它違背了定律 預習導學 方向 自發(fā) 自發(fā) 單一熱源 做功 熱力學第二 三 熱力學第二定律的表述1 第一種表述 克勞修斯表述 熱量不能從低溫物體傳遞到高溫物體 按照熱傳導的方向性來表述的 2 第二種表述 開爾文表述 不可能從吸收熱量并把它全部用來 而不引起其他變化 按照機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的 熱力學第二定律的這兩種表述是的 熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有 預習導學 自發(fā)地 單一熱源 做功 等價 方向性 3 自然界中一切與有關(guān)的自然過程都具有方向性 想一想熱傳導的方向性能否簡單理解為 熱量不會從低溫物體傳給高溫物體 答案不能 自發(fā)地 是指沒有第三者影響 例如空調(diào) 冰箱等制冷機就是把熱量從低溫物體傳到了高溫物體 但是也產(chǎn)生了影響 即外界做了功 預習導學 熱現(xiàn)象 四 熱力學第二定律的微觀實質(zhì)1 做功是與分子群體的運動聯(lián)系在一起的 內(nèi)能是和分子的運動聯(lián)系在一起的 機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程 從微觀上來說 是大量分子的運動朝運動的方向轉(zhuǎn)換的過程 其相反方向的過程是大量分子從運動朝運動方向轉(zhuǎn)換的過程 2 熱傳導過程是使物體內(nèi)部分子的熱運動由比較的狀態(tài)向的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 預習導學 無序 有序 有序 無序 無序 有序 有序 無序 3 熱力學第二定律的微觀實質(zhì)與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程 總是朝著分子熱運動狀態(tài)增加的方向進行的 五 熵意義 描述物體的無序程度 物體內(nèi)部分子熱運動無序程度越高 物體的熵就 預習導學 無序性 越大 一 宏觀過程的方向性1 熱傳導具有方向性 兩個溫度不同的物體相互接觸時 熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 結(jié)果使高溫物體的溫度降低 低溫物體的溫度升高 2 氣體的擴散現(xiàn)象具有方向性 兩種不同的氣體可以自發(fā)地進入對方 最后成為均勻的混合氣體 但這種均勻的混合氣體 決不會自發(fā)地分開 成為兩種不同的氣體 課堂講義 課堂講義 3 機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性 物體在水平面上運動 因摩擦而逐漸停止下來 但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后 在地面上重新運動起來 4 氣體向真空膨脹具有方向性 氣體可自發(fā)地向真空容器膨脹 但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出 容器變?yōu)檎婵?5 在整個自然界中 無論有生命的還是無生命的 所有的宏觀自發(fā)過程都具有單向性 都有一定的方向性 都是一種不可逆過程 課堂講義 例1 雙選 下列說法正確的是 A 熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體B 熱量不能從低溫物體傳到高溫物體C 熱傳遞是自發(fā)的雙向的D 氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的答案AD 課堂講義 解析如果是自發(fā)地進行 熱量只能從高溫物體傳到低溫物體 但這并不是說熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 只是不能自發(fā)地進行 在外界條件的幫助下 熱量也能從低溫物體傳到高溫物體 A對 B C錯 氣體向真空中膨脹的過程也是不可逆 具有方向性的 D對 課堂講義 借題發(fā)揮兩個溫度不同的物體相互接觸時 熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 使高溫物體的溫度降低 低溫物體的溫度升高 這個過程是自發(fā)進行的 不需要任何外界的影響或者幫助 有時我們也能實現(xiàn)熱量從低溫物體傳給高溫物體 如電冰箱 但這不是自發(fā)地進行的 需要消耗電能 其實自然界中所有的熱現(xiàn)象都是具有單向性的 課堂講義 二 熱力學第二定律和熵1 克勞修斯表述是按熱傳導的方向性表述的 熱量可以由低溫物體傳到高溫物體但不能是自發(fā)的 如 冰箱 空調(diào) 2 開爾文表述是按照機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的 不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功 而是這樣做的結(jié)果 一定伴隨著其他變化或影響 3 這兩種表述看似毫無聯(lián)系 其實是等價的 可以從一種表述導出另一種表述 4 熱力學第二定律揭示了自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 課堂講義 5 熵較大的宏觀狀態(tài)就是無序性較大的宏觀狀態(tài) 在自發(fā)過程中熵總是增加的 即向無序性增加的方向進行 6 從微觀的角度看 熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律 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 而熵值較大代表著較為無序 所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展 課堂講義 例2 雙選 根據(jù)熱力學第二定律可知 下列說法中正確的是 A 不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功 而不引起其他變化B 沒有冷凝器 只有單一的熱源 能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功 而不引起其他變化的熱機是可以實現(xiàn)的C 制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中 而不引起其他變化D 不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體 而不引起其他變化 課堂講義 答案AD解析熱力學第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性 機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性 機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機械能必須借助外部的幫助 即會引起其他變化 A選項正確 B選項錯誤 熱傳遞過程也具有方向性 熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體 必然要引起其他變化 外界對系統(tǒng)做功 故C選項錯誤 D選項正確 課堂講義 借題發(fā)揮 1 一切物理過程均遵守能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 但遵守能量守恒的物理過程不一定均能實現(xiàn) 2 熱力學第二定律的關(guān)鍵在于 自發(fā)性 和 方向性 課堂講義 例3 雙選 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 其熵總不會增加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答案AD 課堂講義 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錯誤 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