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第十章热力学定律第四节热力学第二定律第五节热力学第二定律的微观解释素养目标定位※了解热力学第二定律的多种表述※知道热传导及宏观过程的方向性※了解热力学第二学定律的微观解释※知道熵及熵增加原理素养思维脉络1课前预习反馈2课内互动探究3核心素养提升4课内随堂达标5课后课时作业课前预习反馈1．可逆与不可逆过程(热传导的方向性)热传导的过程可以自发地由________物体向________物体进行，但相反方向却不能__________进行，即热传导具有________性，是一个不可逆过程。2．热力学第二定律的一种表述(克劳修斯表述)热量不能自发地从________物体传递到________物体。知识点1热力学第二定律的一种表述高温低温自发地方向低温高温知识点2热力学第二定律的另一种表述1．开尔文表述不可能从____________吸收热量，使之完全变成______，而不产生其他影响。2．热力学第二定律的其他描述(1)一切宏观自然过程的进行都具有__________。(2)气体向真空的自由膨胀是__________的。单一热库功方向性不可逆1．有序只要确定了某种规则，________这个规则的就叫做有序。2．无序不符合某种____________的称为无序。3．宏观态________某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。4．微观态在宏观状态下，符合________的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。符合知识点3有序和无序宏观态和微观态确定规则符合另外热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着分子热运动的______________的方向进行。无序性增大知识点4气体向真空的扩散1．熵(1)微观状态的数目用Ω表示，用S表示熵，则S＝____________，k称为玻耳兹曼常数。(2)熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的________决定。从分子动理论的观点来看，熵是分子热运动________________程度的定量量度。2．熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵____________，叫做熵增加原理。对于其他情况，系统的熵可能增加，也可能减小。klnΩ知识点5熵及熵增加原理状态无序(混乱)不会减小√辨析思考『判一判』(1)机械能可以完全转化为内能。()(2)内能不可能完全转化为机械能。()(3)能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。()(4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。()(5)一个宏观态所对应的微观态数目越多，则熵越大。()(6)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。()×√×√√解析：在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体，A错；在一定条件下热可以全部变成功，B错；热机的效率在任何条件下都不可能达到100%，C错；一切宏观自然过程的进行都具有方向性，D正确。D『选一选』下列说法正确的是()A．热量不能从低温物体传到高温物体B．功可以完全变成热，热不能完全变成功C．改进热机的生产工艺，总有一天热机的效率可以达到100%D．气体向真空的自由膨胀是不可逆的『想一想』成语“覆水难收”指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中的。请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度，解释为什么水不会自发地聚到盆中。答案：由于盆的形状确定，水在盆中所处的宏观态对应的微观态数目少，较为有序。当把水泼出后，它的形状不受盆的限制，各种可能的形状都有，此时所处的宏观态对应的微观态数目将变得非常多，较为无序。因为自发的过程总是从有序向无序发展，所以水不会自发地聚到盆中。课内互动探究一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1kW，制冷能力1.2×104kJ/h，制热能力1.3×104kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量，是指标错误还是能量不守恒？探究一热力学第二定律的理解1提示：都不是。空调制冷(制热)靠压缩机做功，从室内(室外)吸收热量放到室外(室内)。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。1．单一热库指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。2．其他影响指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动热传递是不可能的。3．关于“不可能”实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。4．适用条件只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。5．两种表述是等价的两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性。两种表述可以相互推导。根据热力学定律，下列判断正确的是()A．我们可以把火炉散失到周围环境中的能量全部收集到火炉中再次用来取暖B．利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的C．制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气，而不引起其他变化D．满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行典例1B解题指导：利用热力学第二定律解决问题时：(1)明确热力学第二定律的两种表述是等效的。其实质是自然界中进行的所有涉及热现象的宏观物理过程都具有方向性。(2)特别注意“不产生其他影响”和“产生其他影响”。热量可以从低温物体传到高温物体，但要“产生其他影响”。(3)热机的效率总是小于1，因为它总要向低温热源散热。解析：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，所以不能把散失的能量全部收集起来重新加以利用，A错；由热力学第二定律可知，B正确；热量从低温物体传给高温物体时一定会发生其他变化，C错；只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的，D错。〔对点训练1〕如图中气缸内盛有定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接，使其缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是()CA．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律B．气体从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律C．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律D．ABC三种说法都不对解析：热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。本题中如果没有外界的帮助，比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，导致气体温度略微降低，是不可能从外界吸收热量的，即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律。如图将一滴红墨水滴入一杯清水中，红墨水会逐渐扩散到整杯水中，呈均匀分布，试说明这个过程中熵的变化。提示：墨水原来处于较小的空间(一滴)，无序度小，后来处于较大空间，无序度大，故熵变大。探究二对热力学第二定律微观意义的理解21．有序、无序的含义(1)“无序”意味着各处一样、平均、没有差别，而有序则正好相反。(2)“有序”与“无序”是相对的。2．熵的含义“有序”和“无序”是相对而言的，是从有序程度上讲的，熵是宏观态无序程度的量度，熵越高，意味着宏观态所对应的微观态数目越多，即越无序，熵越低即越有序。3．热力学第二定律的微观解释高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体。所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高了。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低了。所以从宏观热现象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温物体传给低温物体。换一种角度看，初始我们根据温度的高低来区分两个物体，而终了状态两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们就说系统的无序程度增加了。同理可知，在通过做功使系统内能增加的过程中，是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程。(多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是()A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程D．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行解题指导：热传递过程是大量分子由无序程度小转化为无序程度大的过程，体现了自然过程的方向。典例2CD解析：分子热运动是大量分子无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，C、D项正确。〔对点训练2〕如图，质量、温度相同的水，分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？答案：根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又有一种表述：由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少。这也就是说，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少。质量相同，温度相同的水，可以由固体自发地向液体、气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液体，固态时的熵最小。核心素养提升1．热力学第二定律与第一定律的比较规律区别联系热力学第一定律热力学第二定律区别热力学第一定律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热力学第二定律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，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础2.两类永动机的比较比较项第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量，可以不断地对外做功(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(或只有一个热库，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．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律B．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的解析：第一类永动机违反能量守恒定律，选项A错误；第二类永动机违反热力学第二定律，选项B错误；由热力学第一定律可知当W≠0，Q≠0时，ΔU＝W＋Q可以等于0，选项C错误；由热力学第二定律可知选项D中现象是可能的，但一定会产生其他影响，选项D正确。案例D