(教用word)第3章 第3节 热力学第二定律 第4节 熵——系统无序程度的量度-【提分教练】2022-2023学年新教材高中物理选择性必修第三册(鲁科版2019)

第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 学业要求＋核心素养 1．认识自然界中热传递的方向性。(科学思维) 2．理解热力学第二定律，并能用热力学第二定律解释自然界中能量转化、转移及热传递的方向性问题。(科学思维) 3．能用热力学第二定律说明第二类永动机不能制造成功的原因。(科学态度与责任) 4．知道熵的概念，初步了解熵是描述系统无序程度的物理量，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述。(物理观念) 一、可逆过程与不可逆过程 1．基础梳理 (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和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。 (3)凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。 2．尝试探究 一杯热水放在教室里，热水中的热量会“自发地”传递给空气。 (1)“自发地”含义是什么？ 提示：“自发地”是指没有受到任何外界影响或者干扰。 (2)是否可能发生这样的现象：原来温度相同的水和空气，过一段时间，空气的温度自发地降低，而水的温度上升？ 提示：不可能发生。热量可以自发地从高温物体传到低温物体，而温度相同的水和空气不可能进行热传递。 二、热力学第二定律及第二类永动机 1．基础梳理 (1)热力学第二定律的两类描述 ①第一种表述(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。(说明热传递的方向性) ②第二种表述(开尔文表述) 不可能从单一热源吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化。(说明功热转化的方向性) 热力学第二定律的这两种表述是等价的。热现象的宏观过程是不可逆的。 (2)第二类永动机 从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不引起其他变化的机器。 第二类永动机并不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。 第二类永动机是不可能制成的。 2．尝试探究 汽车和轮船上用的汽油机、柴油机，火力发电厂和核电站用的蒸汽轮机等都是热机。 (1)从能量的角度看，热机的工作分几个阶段？ 提示：热机的工作分两个阶段，第一个阶段是燃烧燃料，把燃料的化学能转变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把内能变成机械能。 (2)热机的工作过程是怎样的？ 提示：热机从高温热源吸收热量，推动活塞做功，同时向低温热源放出热量。 (3)汽车发动机工作时，气缸(燃烧室)是它的高温热源，低温热源在哪里？ 提示：汽车发动机工作时低温热源就是气缸外界的大气。 (4)我们假想：发明一种热机，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，而不引起其他变化，这是否可能？ 提示：不可能。热机不能把它得到的内能全部转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量，即使是理想热机，没有摩擦、漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中。 三、熵——系统无序程度的量度 1．基础梳理 (1)有序与无序 ①温度高低的区别在于分子的平均动能不同。热传递这个不可逆过程使无序程度增加了。 ②热力学第二定律的微观本质：与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。 (2)熵和熵增加原理 ①熵的定义 用来量度系统无序程度的物理量称为熵。 ②熵增加原理 在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增加的方向进行。孤立系统是指与外界既没有物质交换又没有能量交换的系统。 (3)无处不在的熵 在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态，能量品质退化了，这种现象称为能量退降。 2．尝试探究 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。 (1)以箱子内的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的情形和最小一种可能的情形。 提示：宏观态：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，最小的一种可能情况是左0右4和左4右0。 (2)试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，分子集中在一个室中、另一个室变成真空的可能性最小。 提示：从无序的角度看，热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的，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、右两室这个整体来讲，这显然是一种高度有序的分布，当气体分子自由扩散后，气