3.3 热力学第二定律&3.4 熵——系统无序程度的量度（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

物理选择性必修 第三册 第 3 章 热力学定律 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法。 2．能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，即自然界中能量转化、转移的方向性问题。 3．了解能量与能源的区别以及能源的有限性。 通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，提高探索科学的能力。 注重运用热力学定律分析和解决实际问题的能力、实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 1.(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____________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_______过程称为可逆过程。(2)不可逆过程：一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果用任何方法都不能使_____和______完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。 2．热传递的方向性(1)热量可以自发地❶由_____物体传给_____物体，或者由物体的_____部分传给____部分。(2)热量不能自发地由______物体传给_____物体，或由物体的低温部分传给高温部分。(3)热传递是________过程，具有_______。 [对应学生用书P53] 知识点一 可逆过程和不可逆过程 必备知识/自主学习 系统和外界 原来的 外界 不可逆 高温 系统 低温 高温 低温 低温 高温 方向性 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 1.热力学第二定律(1)克劳修斯表述：不可能使热量从_____物体传向_____物体而不引起其他变化。(2)开尔文表述：不可能从_________❷吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化❸。 2．第二类永动机(1)定义：从_________吸取热量并使之_____转化为功而不引起其他变化的机器。(2)第二类永动机不可能制成❹。(3)热力学第二定律的又一表述：第二类永动机是_______实现的。 3．功热转化的方向性功热转化这一热现象是不可逆的，具有方向性。 4．结论：凡是与_______有关的宏观过程都具有_______。 热现象 高温 不可能 低温 单一热源 知识点二 热力学第二定律及第二类永动机 完全 方向性 单一热源 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 1.有序与无序(1)生活中符合某种规则的现象称为_____❺，反之称为______❻。(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_____的方向进行。 2．熵和熵增加原理 ❼(1)熵的定义：用来量度系统_________的物理量叫作熵。(2)熵增加原理：孤立系统中的宏观过程必然朝着________的方向进行。 3．熵与能量退降在熵增加的同时，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，________退化了，这种现象称为能量退降。 有序 能量品质 无序 知识点三 熵——系统无序程度的量度 增大 无序程度 熵增加 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 1．第一类永动机违背了能量守恒定律。 ( ) 2．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体。( ) 3．熵是系统内分子运动无序性的量度。( ) 思考判断 √ 批注❶：“自发地”是指热量从高温物体传给低温物体的方向性，且在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量。 批注❷：“单一热源”是指温度恒定而均匀的热源。 批注❸：“不引起其他变化”是指唯一效果是热量全部转为功，而外界及系统都不发生任何变化。 批注❹：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；第一类永动机违背了热力学第一定律。 √ √ 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 批注❺：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。 批注❻：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。 批注❼：成语“覆水难收”指一盆水泼出后是不可能再回到盆中的，从熵的变化角度解释，其原因是：由于盆的形状确定，水在盆中时，空间位置和所占据的空间的体积一定，显得“有序”“整齐”和“集中”，系统的熵低。当把水泼出后，它的形状不再受盆的限制，各种可能的形状都有，占据的空间面积和所处的位置都有多种可能，显得“混乱”“分散”，较为“无序”，系统的熵高。水泼出的过程属于从有序向无序的转化过程，导致熵的增加，符合熵增加原理。反之，水聚到盆中的过程，属于从无序向有序的转化，即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理，因此水不能自发地聚到盆中。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 关键能力/互动探究 [对应学生用书P55] 探究点一　热力学第二定律　(科学思维之提升) ▶情境探究 中华文化博大精深，很多经典语句都包含着物理知识。如图所示，下列事件是否可以自发地逆向进行呢，这说明了什么？ 答案： 不能自发地逆向进行，说明一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 ▶探究归纳 1．自然过程的方向性 (1)热传导具有方向性 两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地由高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。 (2)气体的扩散现象具有方向性 两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体不会自发地分开，成为两种不同的气体。 (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但物体绝不可能吸收原来传递出去的热量而在地面上重新运动起来。 (4)气体向真空膨胀具有方向性 气体可自发地向真空容器内膨胀，但气体绝不可能自发地从容器中流出，使容器内变为真空。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 2．热力学第二定律 (1)热力学第二定律的两种表述是等价的。 (2)实质：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 (3)意义：有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。 3．热力学第一定律与热力学第二定律的比较 (1)热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系 热力学第一定律 热力学第二定律 区别 是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机 联系 两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 (2)两类永动机的比较 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化) 不可能的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 ▶对点例练 【例1】(2022·湖北武汉高二期末)下列关于热力学第二定律的说法中正确的是(　　) A．随着科技的进步，所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生 B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的 C．机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响 D．气体向真空的自由膨胀是可逆的 C 解析： 即使科技越来越进步，所有符合能量守恒定律但不符合热力学第二定律的宏观过程也无法发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B错误；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响，C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 【例2】(2022·河北承德高二期末)关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是(　　) A．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机 B．第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律 C．做功不一定改变物体的内能，热传递也不一定改变物体的内能，但同时做功和热传递一定会改变物体的内能 D．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能是可能的 解析： 根据热力学第二定律，从单一热源吸收热量，全部用来对外做功而不引起其他变化是不可能的，A错误；第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了热力学第二定律，B错误；做功不一定改变物体的内能，热传递可以改变物体的内能，但同时做功和热传递不一定会改变物体的内能，比如物体吸收热量的同时对外做功，内能不一定改变，C错误；根据热力学第二定律可知，利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的，D正确。 D 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 [练1] (多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　) A．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性 B．“第二类永动机”不可能制成因为它违反了能量守恒定律 C．自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的 D．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的 解析： 空调制热和制冷都会消耗电能，不是自发进行的，A错误；“第二类永动机”不可能制成是因为它违反了热力学第二定律，不违反能量守恒定律，B错误；根据熵增加原理，自然发生热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，C正确；根据热力学第二定律，自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，D正确。 CD 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 [练2] (多选)(2022·河南商丘高二期末)关于热力学第一、第二定律，下列说法中正确的是(　　) A．热量不能自发地从低温物体传到高温物体，气体向真空的自由膨胀是不可逆的 B．热力学第二定律可表述为第一类永动机是不可能制成的 C．理想气体等压膨胀过程一定吸热 D．不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功 解析： 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。气体膨胀后，我们必须对气体做功，使之恢复原来的状态，所做的功转化为气体向外界传出的热量，根据热力学第二定律，我们无法通过循环过程再将这热量完全转化为功，所以这个过程是不可逆的，A正确；热力学第二定律可表述为第二类永动机(效率100%)是不可能制成的，B错误；根据理想气体的状态方程可知，理想气体等压膨胀过程中压强不变，体积增大，则气体的温度一定升高，所以气体的内能增大，气体的体积增大对外做功而内能增大，所以气体一定吸热，C正确；不可能从单一热源吸热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，如果在产生其他影响的情况下，是可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功，D错误。 AC 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 探究点二　熵与熵增加原理　(科学思维之提升) ▶情景探究 　一只完好的杯子从高处落到地上摔碎了(如图)，这是一个可逆过程还是不可逆过程？在这个过程中熵是增加还是减少？请说说生活中的其他例子。 答案： 一只完好的杯子从高处落到地上摔碎了，它不可能再自发地恢复成一只完好的杯子，故此过程是一个不可逆过程；在这个过程中，无序程度增加，熵增加了。比如一本书掉到地板上是不可逆过程，这个过程能量是守恒的，熵增加了。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 1．对熵的理解 (1)熵是反映系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵就越大。 (2)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加。 2．对熵增加原理的理解 (1)对于孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行。或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小，这就是熵增加原理。 (2)从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，熵值越大代表着越无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。 ▶探究归纳 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 【例3】对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法错误的是(　　) A．系统的总熵只能增大，不可能减小 B．系统逐渐从比较有序的状态向无序的状态发展 C．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展 D.在自然的可逆过程中，孤立系统的总熵不变 ▶对点例练 C 根据熵增加原理，一个孤立系统发生的实际过程，总熵只能增大，A正确；对于可逆的自然过程，总熵不变，D正确；再根据熵的物理意义，它量度系统的无序程度，熵越大，无序程度越大，故B正确，C错误。 解析： 方法技巧 熵的四点警示 一是熵的微观意义；二是熵不是守恒的量，熵总是增加的；三是熵的本质，即熵是体系微观混乱度的量度，混乱度越大，熵值也越大；四是一个孤立系统在自然可逆过程中，总熵不变。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 [练3] (多选)对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是(　　) A．系统的总熵越大，代表着越无序 B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小 C.对于孤立的热力学系统，总是朝着熵增加的方向进行 D．熵是守恒的 AC 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 [练4] (生活情境)(多选)如图所示的是空气能热水器的工作原理示意图，它主要由储水箱、毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器等部件组成。制冷剂在毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器之间循环过程与我们所熟悉的电冰箱的制冷循环过程相同，其工作过程如下：①液态制冷剂经过一段很细的毛细管缓慢地进入蒸发器，在蒸发器中迅速汽化，并从低温的空气中吸收热量；②制冷剂汽化生成的蒸汽被压缩机压缩后变成高温高压的蒸汽进入冷凝器；③在冷凝器中，高温高压的蒸汽将热量传递给水并发生液化。制冷剂以此不断循环流动，使水的温度不断上升。下列说法正确 的是(　　)A．空气能热水器实现了“热量由低温物体(空气)传向高温物体(水)”B．空气能热水器中的水是由电直接加热的C.空气能热水器的工作原理不违反热力学第一定律D．空气能热水器的制热系统能够不断地把空气的内能传给水，是因为其消耗了电能 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) ACD 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 解析： 空气能热水器与空调的工作原理类似，它们在工作时都遵守热力学第一定律，C正确；空气能热水器工作时将外界低温空气中的热收集起来然后通过压缩机再传给里面温度较高的水，使水的温度升高，其中制冷剂的循环等过程需要消耗电能，A、D正确，B错误。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 解析： [练5] (生活情境)(多选)如图所示的是电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内、外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是(　　) A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C．电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律 D．电冰箱的工作原理违背热力学第二定律 BC 根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功，A错误，B正确；电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律，C正确，D错误。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 谢谢观看！ $$