第5章 第3、4节 热力学第二定律　熵——无序程度的量度-2020-2021学年高中物理选修3-3【导学教程】同步辅导（鲁科版）word

第3、4节　热力学第二定律　熵——无序程度的量度 知识点一　自然过程的方向性 [自学教材] 1．可逆过程和不可逆过程 (1)可逆过程： 一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。 (2)不可逆过程： 如果用任何方法都不能使系统与外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。 2．热传导的方向性 (1)热量可以自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分。 (2)热量不能自发地由低温物体传给高温物体。 (3)热传递是不可逆过程，具有方向性。 3．功和热相互转变的方向性 (1)功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性。 (2)热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性。 4．结论 凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。 [重点诠释] 1．热传导的方向性 (1)“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助。如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程。而在夏天，室内温度比室外低，空调却还能不断地把室内热量向外传递，是因为电流对空调做功，不是自发过程。 (2)热量从高温物体传给低温物体，是因为两者之间存在着温度差，而不是热量从内能多的物体传给内能少的物体。由内能的定义可知，温度低的物体有可能比温度高的物体内能大。 2．热机的原理及效率 (1)定义：热机就是消耗内能对外做功的一种装置。 (2)原理：热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放能量Q2。 (3)效率：由能量守恒定律知Q1＝W＋Q2，我们把热机做功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率，用η表示，即η＝×100%。 [典题强化] 1．关于热传递的方向性，下列说法正确的是 A．热量能自发地由高温物体传给低温物体 B．热量能自发地由低温物体传给高温物体 C．无论任何条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体 D．热量一定不可能从低温物体传给高温物体 解析　在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传递给高温物体，而热量只能自发地从高温物体传给低温物体。 答案　A 知识点二　热力学第二定律的表述 [自学教材] 1．克劳修斯表述 不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。(说明热传导的方向性) 2．开尔文表述 不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。(说明机械能与内能转化的方向性) 3．第二类永动机不可能制成 (1)第二类永动机是指人们设想的从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器。 (2)热力学第二定律也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的。 [重点诠释] 1．对两种表述的理解 (1)热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联系，然而实际上它们是等价的，即由其中一个，可以推导出另一个。 (2)“不引起其他变化”是指使热量从低温物体传递到高温物体时外界不消耗任何功或从单一热源吸收热量全部用来做功而外界及系统都不发生任何变化。 (3)克劳修斯表述是说热量不能自动地从低温物体转移到高温物体。如果外界消耗一定量的功，把热量从低温物体转移到高温物体是完全可能的，如电冰箱和空调机的制冷过程。 (4)开尔文表述表明了在引起其他变化或产生其影响的条件下，热量能够完全转化为功，如理想气体的等温自由膨胀，内能不变，吸收的热量全部转化为功，但却引起了体积的膨胀。 2．热力学第二定律的推广 对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如，在图5－3－1中，盒子中间有一个挡板，左室为真空，右室有气体。撤去挡板后，右室的气体自发向左室扩散，而相反的过程不可能自发地进行。因此，热力学第二定律也可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 图5－3－1 3．热力学第二定律的意义 (1)揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(或自然界中实际的宏观过程)都具有方向性。说明了热现象是与大量分子的无规则运动相联系的，因此，自然界中存在的凡涉及与分子热运动有关的宏观过程都是有方向性的。 (2)说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的，即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性。 [典题强化] 2．我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来。其原因是 A．这违反了能量守恒定律 B．在任何条件下内能都不可能转化为机械能，只有机械能才会转化为内能 C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的 D．以上说法均不正确 解析　由热力学第二定律可知，内能不可能全部转化成机械能，而不引起其他变化，即机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的，C正确。 答案　C 知识点三　熵和熵的增加