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第四節(jié)熱力學(xué)第二定律1.了解熱現(xiàn)象中宏觀自然過(guò)程的方向性.2.理解熱力學(xué)第二定律的兩種不同的表述,以及這兩種表述的物理實(shí)質(zhì).3.了解什么是第二類永動(dòng)機(jī),為什么第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成.4.了解熵是反映系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量.一、熱傳導(dǎo)的方向性1.兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí),熱量會(huì)自發(fā)地從___________高溫物體傳給___________低溫物體,但不會(huì)自發(fā)地從___________低溫物體傳給___________高溫物體.這說(shuō)明:熱傳導(dǎo)過(guò)程是有___________方向性的.2.熱力學(xué)第二定律是一條反映自然界過(guò)程進(jìn)行___________方向和___________條件的規(guī)律.1.自然界中除熱傳遞之外是否還有其他過(guò)程具有方向性?提示:有.例如破鏡不能自動(dòng)地重圓;一滴墨水滴入一杯清水中,墨水?dāng)U散均勻之后,不可能再自動(dòng)地聚集成一滴墨水.二、機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性1.機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程具有___________方向性,即機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)程是可以___________自發(fā)進(jìn)行的,內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程,是不能___________自發(fā)進(jìn)行的,要將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,必然會(huì)引起其他影響.2.第二類永動(dòng)機(jī)(1)定義:從___________單一熱源吸熱全部用來(lái)___________做功,而不引起其他變化的熱機(jī).(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成.原因是它違背了熱力學(xué)第二定律.2.第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)有何不同?提示:第一類永動(dòng)機(jī)是違背能量守恒定律的機(jī)器,因此不可能制成.第二類永動(dòng)機(jī)是違背了能量轉(zhuǎn)化的方向性,因此也不可能制成.三、熱力學(xué)第二定律1.第一種表述(克勞修斯表述):熱量不能___________自動(dòng)地從低溫物體傳遞到高溫物體.或者說(shuō),不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化.(按照熱傳導(dǎo)的方向性來(lái)表述).2.第二種表述(開(kāi)爾文表述):不可能從___________單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)___________做功,而不引起其他變化.(按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性來(lái)表述)熱力學(xué)第二定律的這兩種表述是等價(jià)的.熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性.3.“水往低處流”是一個(gè)自發(fā)過(guò)程,在無(wú)外界影響時(shí),它的逆過(guò)程可否實(shí)現(xiàn)?你由這一自然現(xiàn)象受到什么啟發(fā)?提示:不能實(shí)現(xiàn).自然界中出現(xiàn)的自發(fā)過(guò)程一般都是不可逆的.四、熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)1.做功是與分子群體的___________有序運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的,內(nèi)能是和分子的___________無(wú)序運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的.機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)程,從微觀上來(lái)說(shuō),是大量分子的___________有序運(yùn)動(dòng)朝___________無(wú)序運(yùn)動(dòng)的方向轉(zhuǎn)換的過(guò)程,其相反方向的過(guò)程是大量分子從___________無(wú)序運(yùn)動(dòng)朝___________有序運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換的過(guò)程.2.熱傳導(dǎo)過(guò)程是使物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)由比較___________有序的狀態(tài)向___________無(wú)序的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程.3.熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì):與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過(guò)程,總是朝著分子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)___________無(wú)序性增加的方向進(jìn)行的.五、熵意義:描述物體的無(wú)序程度,物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度越高,物體的熵就越大.4.隨著科技的不斷發(fā)展,假如能夠使熱機(jī)沒(méi)有漏氣沒(méi)有摩擦也沒(méi)有機(jī)體熱量損失,是不是能夠使熱機(jī)效率達(dá)100%?提示:不能,原因是熱機(jī)的工作物質(zhì)吸收的熱量不能全部用來(lái)做功,如汽車尾氣會(huì)帶走一部分熱量.對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解1.克勞修斯表述指明熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性,不需要借助外界提供能量的幫助,其物理本質(zhì)是揭示了熱傳遞過(guò)程是不可逆的.2.開(kāi)爾文表述中的“單一熱源”指溫度恒定且均勻的熱源.“不引起其他變化”是指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化.其物理實(shí)質(zhì)揭示了熱變功過(guò)程是不逆的.3.熱力學(xué)第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過(guò)程的方向性,進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性,都是不可逆的.(1)在可以引起其他影響的情況下,熱量可以從低溫物體傳到高溫物體,如空調(diào)、冰箱等.(2)分析熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用問(wèn)題時(shí)都不能忽視“自發(fā)性”和“不引起其他變化”的物理意義.(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律,下列說(shuō)法正確的是()A.電流的電能不可能全部變成內(nèi)能B.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體C.在熱機(jī)中,燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能D.在熱傳導(dǎo)中,熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體[思路點(diǎn)撥]熱力學(xué)第二定律反映了與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程的方向性問(wèn)題,理解熱傳導(dǎo)的方向性和能量轉(zhuǎn)化的方向性,就可以解決問(wèn)題.[解析]電能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,如純電阻電路,而燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,故A錯(cuò)誤,C正確.根據(jù)熱力學(xué)第二定律關(guān)于熱傳導(dǎo)的描述,B錯(cuò)誤、D正確.[答案]CD1.(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說(shuō)法正確的是()A.氣體吸熱后溫度一定升高B.對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能C.理想氣體等壓膨脹過(guò)程一定放熱D.熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E.如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡解析:選BDE.根據(jù)熱力學(xué)第一定律,氣體吸熱的同時(shí)若對(duì)外做功,則內(nèi)能不一定增大,溫度不一定升高,選項(xiàng)A錯(cuò)誤.對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能,選項(xiàng)B正確.理想氣體等壓膨脹過(guò)程,對(duì)外做功,由理想氣體狀態(tài)方程可知,氣體溫度升高,內(nèi)能增大,故氣體一定吸熱,選項(xiàng)C錯(cuò)誤.根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,選項(xiàng)D正確.根據(jù)熱平衡定律,如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡,選項(xiàng)E正確.對(duì)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1.有序和無(wú)序有序:只要確定了某種規(guī)則,符合這個(gè)規(guī)則的就叫做有序.無(wú)序:不符合某種確定規(guī)則的稱為無(wú)序.無(wú)序意味著各處都一樣,平均、沒(méi)有差別,有序則相反.有序和無(wú)序是相對(duì)的.2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)宏觀態(tài):符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài),叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài).微觀態(tài):在宏觀狀態(tài)下,符合另外的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個(gè)宏觀態(tài)的微觀態(tài).系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無(wú)序程度的大?。绻粋€(gè)“宏觀態(tài)”對(duì)應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多,就說(shuō)這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無(wú)序的,同時(shí)也決定了宏觀過(guò)程的方向性——從有序到無(wú)序.3.熱力學(xué)第二定律的微觀意義:一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行.4.熵一個(gè)系統(tǒng)的熵是隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化的.在自然過(guò)程中,系統(tǒng)的熵是增加的.在絕熱過(guò)程或孤立系統(tǒng)中,熵是增加的,叫做熵增加原理.對(duì)于其他情況,系統(tǒng)的熵可能增加,也可能減?。畯奈⒂^的角度看,熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律:一個(gè)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(wú)序,所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展.關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義,下列說(shuō)法正確的是()A.大量分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)B.傳熱的自然過(guò)程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程C.傳熱的自然過(guò)程是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程D.一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行[解析]分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)的一個(gè)宏觀過(guò)程包含著大量的微觀狀態(tài),這是一個(gè)無(wú)序的運(yùn)動(dòng),根據(jù)熵增加原理,熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果只能使分子熱運(yùn)動(dòng)更加無(wú)序,而不是變成了有序,傳熱的自然過(guò)程從微觀上講就是大量分子從無(wú)序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無(wú)序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程,故選C.[答案]Ceq\a\vs4\al()一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行.2.(多選)下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀意義的說(shuō)法正確的是()A.從微觀的角度看,熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B.少數(shù)分子也遵守?zé)崃W(xué)第二定律C.有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行,有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行D.在任何自然過(guò)程中,一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小解析:選AD.從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看,一切不可逆過(guò)程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行,我們知道熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,A正確.任何自然過(guò)程總是朝著無(wú)序程度增大的方向進(jìn)行,也就是熵增加的方向進(jìn)行,則D正確.所以選AD.熱力學(xué)第一定律和第二定律的比較關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律,下列論述正確的是()A.熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化,而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能,故這兩條定律是相互矛盾的B.內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能,只是會(huì)產(chǎn)生其他影響,故兩條定律并不矛盾C.兩條定律都是有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律,它們不但不矛盾,而且沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別D.其實(shí),能量守恒定律已包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律[解析]熱力學(xué)第一定律是能量守恒在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn),而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能和其他形式能發(fā)生轉(zhuǎn)化的方向性,兩者并不矛盾,故A、C、D錯(cuò)誤,B正確.[答案]Beq\a\vs4\al()(1)熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的一種表述形式,是從能的角度揭示不同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的可能性.告誡人們:第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成.(2)熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過(guò)程的方向性.如機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化,進(jìn)一步揭示了各種物質(zhì)過(guò)程及其運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化過(guò)程都具有方向性.告誡人們:第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成.(3)兩定律都是熱力學(xué)基本定律,分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程所遵循的規(guī)律,二者相互獨(dú)立,又相互補(bǔ)充,都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ).3.(多選)關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)兩大定律,下列說(shuō)法正確的是()A.熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是相互獨(dú)立的B.熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的C.由熱力學(xué)第一定律可知做
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