3.4 熵—系统无序程度的度量 课件-2024-2025学年高二下学期物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

第三章 热力学定律 第4节 熵——系统无序程度的度量 作者编号：43999 覆水难收 君不见黄河之水天上来 奔流到海不复回 成语“覆水难收”指一盆水被泼出后不可能再回到盆中, 为什么水不会自发地聚到盆中？ 新知导入 作者编号：43999 生活中符合某种规则的现象称为有序,反之称为无序。 规则越多,一个宏观状态对应的微观状态越少,出现的概率越小,我们称之为越有序。反之规则越少,一个宏观状态对应的微观状态就越多,出现的概率也越大,我们称之为越无序。 一、有序与无序 新知学习 作者编号：43999 学校大会上，学生按班级、学号就座是有序的，学生随意就座是无序的。有序与无序是相对的。按班级就座相对于全校随意就座来说是有序的，但相对于既按班级又按学号顺序入座来说是无序的。 新知学习 作者编号：43999 用隔板将围栏隔成两部分，分别放养一群黑鸡和一群白鸡。如果将隔板抽去，一段时间后两群鸡会混在一起。 混合之后，鸡的位置分布变得无序，混乱程度升高了，也就是说从有序（黑白分明）变成了无序（黑白混合）。 这个过程是不可逆的，黑鸡和白鸡不可能自动分开，从无序到有序，回到原来的状态，除非这些鸡经过专门训练或用捕捉的方式，即施加外界影响。 新知学习 作者编号：43999 在热传递过程中，两个温度不同的物体放在一起，热量会自动地由高温物体传到低温物体，直到二者温度相同为止。从微观角度看，高温与低温的区别，在于分子的平均动能不同。两物体接触后，内能从高温物体向低温物体传递，导致高温物体中的分子运动减慢、低温物体中的分子运动加快，直到两个物体达到相同的温度为止。此时，整个系统末态比初态更加无序。换句话说，热传递这个不可逆过程使无序程度增加了。 新知学习 作者编号：43999 新知学习 作者编号：43999 功转变为热是机械能转化为内能的过程。机械运动遵从牛顿运动定律，有明确的因果关系，是有序的运动； 而在热运动中，分子杂乱无章地向各个方向运动，包含着大量的微观状态，是无序的运动。 机械能转化为内能的过程即为从有序向无序变化的过程。在这个过程中，分子运动变得更加混乱，无序程度增加。 新知学习 作者编号：43999 例如，焦耳实验中叶轮转动时，将叶轮的机械能转化为水的内能之后，水的温度升高，水分子的热运动加剧，水分子的无序程度增加。 可见，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。这就是热力学第二定律的微观本质。 新知学习 作者编号：43999 （1）物理学中用熵来量度系统的无序程度，用符号S表示。 （2）熵是热力学中与温度、内能等同样重要的一个状态量，它只与热力学变化过程的初态和末态有关，与中间过程无关。 （3）热力学系统的每一个状态，都对应有一个熵值。熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高。熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就越有序。 二、熵和熵增加原理 1.熵 新知学习 作者编号：43999 与外界既没有物质交换又没有能量交换的系统称为孤立系统。孤立系统所发生的变化一定是自然发生的。 （1）孤立系统 根据热力学第二定律的微观解释，自然过程总是沿着无序程度增大的方向进行，而熵是无序程度大小的量度。所以，在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增的方向进行。这就是熵增加原理。 （2）熵增加原理 熵增加原理与能量守恒定律在物理学中具有同等重要的地位，二者都是对自然过程的一种限制，即在任何自然过程中，一切参与者的总能量必定保持不变，而总熵则必定增加。 2.熵增加原理 新知学习 作者编号：43999 能量转化的过程常常伴有内能的产生。研究表明，即使是在最理想的热机中，内能也只是部分用来做功。只要有内能产生，热机做功的本领就会降低。 现象：从高处抛向地面的小球，在与空气摩擦及与地面多次碰撞之后，机械能转变为内能，使小球逐渐停下来。 解释：根据热力学第一定律，整个系统（包括小球、空气和地面）的能量守恒，但随着内能的产生，系统的熵值增大，小球做功的本领逐渐减小。 三、熵与能量退降 新知学习 作者编号：43999 实际上，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。 热力学第一定律告诉我们，自然界的能量在总量上是不变的；热力学第二定律却告诉我们，自然界的能量品质正在退化，可利用的能量越来越少。因此，人类必须节约能源，提高能源的利用效率，积极开发新能源。 新知学习 作者编号：43999 新知学习 作者编号：43999 1.下列关于熵的说法错误的是 （ ） A.熵是物体内分子运动无序程度的量度 B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行 C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的 D.熵值越大,代表系统分子运动越无序 B 课堂练习 作者编号：43999 2.已知一个系统的两个宏观态甲、乙,及对应微观态的个数分别为较少、较多,则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法正确的是 ( ) A.甲比较有序,乙比较无序,甲→乙 B.甲比较无序,乙比较有序,甲→乙 C.甲比较有序,乙比较无序,乙→甲 D.甲比较无序,乙比较有序,乙→甲 A 课堂练习 作者编号：43999 3.下列关于热力学第二定律微观本质的说法正确的是 ( ) A.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律 B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行 C.有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行,有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行 D.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵会减小 A 课堂练习 作者编号：43999 4.关于能量退降,下列说法正确的是 ( ) A.能量退降是指在一定条件下,能量在转化过程中总量减少了 B.能量退降表明,能量守恒定律具有一定的局限性 C.能量退降表明,在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了 D.能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意的方向性 C 课堂练习 作者编号：43999 $$