物理人教版選修3-3問題導(dǎo)學(xué)第十章第4節(jié)熱力學(xué)第二定律5節(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋

第4節(jié)熱力學(xué)第二定律第5節(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋課堂合作探究問題導(dǎo)學(xué)一、對熱力學(xué)第二定律的理解活動與探究11．兩個溫度不同的物體互相接觸時，將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？2．熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體的，我們所說的“自發(fā)地”指的是沒有任何的外界影響或者幫助。電冰箱是讓“熱”由低溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境。這是不是自發(fā)進(jìn)行的？說明理由。遷移與應(yīng)用1下列說法中正確的是（）A．機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是不可能的B．第二類永動機(jī)不可能制造成功的原因是能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式C．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體D．從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣κ强赡艿?．在熱力學(xué)第二定律的表述中，正確地理解“自發(fā)地”“不引起其他變化”的確切含義是理解熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵所在。（1）“自發(fā)地”是指熱量從高溫?zé)嵩醋园l(fā)地傳給低溫?zé)嵩吹姆较蛐?，在傳遞過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體提供能量等等。（2）“不引起其他變化”的含義是指熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f到高溫?zé)嵩椿驈膯我粺嵩次諢崃咳坑脕碜龉Γ恍柰ㄟ^第三方的幫助，這里的幫助就是第三方提供能量等方式。2．熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)：熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都是有方向性的。3．兩種表述是等價的如果克勞修斯表述不成立，則開爾文表述也不成立。二、對熵和熵增加原理的理解活動與探究21．如圖所示，一個箱子被擋板分為左右兩室，左室有4個氣體分子，右室為真空，撤去擋板后，氣體自由擴(kuò)散，以箱子內(nèi)4個分子為模型，說明具有哪些可能的宏觀態(tài)和微觀態(tài)，并用熱力學(xué)第二定律說明，氣體擴(kuò)散后4個分子分布的最大一種可能和最小一種可能的情形。2．試著從無序的角度談?wù)勆厦鎲栴}中為什么“左2右2”3．熵值越大代表較為有序還是無序？什么是熵增加原理？遷移與應(yīng)用2質(zhì)量相同、溫度相同的水，如圖所示分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關(guān)系？為什么？1．熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動能大小一樣，系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，這個系統(tǒng)的熵就越大。2．從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。3．對于絕熱或孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)而言，所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進(jìn)行?；蛘哒f，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會減少，這就是熵增加原理。4．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加。注意：熵增加原理的適用對象是對于孤立系統(tǒng)，如果是非孤立系統(tǒng)，熵有可能減少。當(dāng)堂檢測1．熱力學(xué)第二定律使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程（）A．都具有方向性B．只有部分具有方向性C．沒有方向性D．無法確定2．關(guān)于第二類永動機(jī)，下列說法正確的是（）A．它既不違反熱力學(xué)第一定律，也不違反熱力學(xué)第二定律B．它既違反了熱力學(xué)第一定律，也違反了熱力學(xué)第二定律C．它不違反熱力學(xué)第一定律，卻違反了熱力學(xué)第二定律D．它只違反熱力學(xué)第一定律，不違反熱力學(xué)第二定律3．任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會（）A．增加B．不變C．減小D．無法判斷4．對“覆水難收”的敘述正確的是（）A．盛在盆中的水是一種宏觀態(tài)，因盆子的因素，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序B．盛在盆中的水是一種宏觀態(tài)，因盆子的因素，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無序C．潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，較為無序D．潑出的水是一種宏觀態(tài)，因不受器具的限制，對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較少，較為有序5．下列哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生，并且不違背熱力學(xué)第二定律（）A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱B．蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能C．桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離D．電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體答案：課堂·合作探究【問題導(dǎo)學(xué)】活動與探究1：1．答案：兩個溫度不同的物體互相接觸時，熱量將從高溫物體傳給低溫物體，使高溫物體溫度降低，低溫物體溫度升高。2．答案：電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，在該過程中電冰箱要消耗電能。電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱量會自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高。遷移與應(yīng)用1：D解析：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A錯誤；第二類永動機(jī)不可能制造成功是因為它違背了熱力學(xué)第二定律，故B錯誤；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但如果不是自發(fā)地，是可以進(jìn)行的，故C錯誤；從單一熱源吸收的熱量全部用來做功而不引起其他變化，是不可能的，但如果是從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣Φ耐瑫r也引起了其他的變化，是可能的，故D正確。活動與探究2：1．答案：宏觀態(tài)如：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；對應(yīng)微觀態(tài)數(shù)目：1、4、6、4、1。不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中分子分布的最大一種可能情況是左2右2，最小一種可能情況是左0右4或左4右0。2．答案：從無序的角度上看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量做無序運動的分子組成的。因為任何熱力學(xué)過程都伴隨著分子的無序運動狀態(tài)的變化，當(dāng)撤去擋板的瞬間，分子仍聚集在左室，對于左右兩室這一個整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當(dāng)氣體分子自由擴(kuò)散后，氣體系統(tǒng)就變得無序了。我們看到”左2右2”3．答案：引入熵后，關(guān)于自然過程的方向性就可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。從微觀角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律。一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向墑大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展。因此，熱力學(xué)第二定律又叫做熵增加原理。遷移與應(yīng)用2：答案：見解析解析：根據(jù)大量分子運動對系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學(xué)第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少，這也就是說，任何一個系統(tǒng)自發(fā)變化時，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會減少。質(zhì)量相同、溫度相同的水，可以由固態(tài)自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉(zhuǎn)化，所以，氣態(tài)時的熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時的熵最小?！井?dāng)堂檢測】1．A解析：自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，例如，熱傳導(dǎo)、氣體自由膨脹等。2．C解析：第二類永動機(jī)仍然遵循能量守恒定律，所以不違反熱力學(xué)第一定律，但能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有一定的方向性，它違反了熱力學(xué)第二定律。故C正確。3．