高中物理2.5有序無序和熵

五、有序、無序和熵第1頁1.知道在包括熱現(xiàn)象宏觀過程中能量耗散與退化現(xiàn)象。2.初步了解熵增加原理物理意義,知道在自然界自發(fā)過程中,系統(tǒng)無序程度總是不停地增加。3.能用熱力學(xué)第二定律或熵增加原了解釋身邊一些簡(jiǎn)單現(xiàn)象。4.了解熱力學(xué)溫度要求及絕對(duì)零度不可能到達(dá)結(jié)論。第2頁一二三四一、能量耗散與退化在自然界種種改變中,能量總值即使保持不變(守恒),不過能量可被利用價(jià)值卻越來越小,或者說能量品質(zhì)在逐步降級(jí),這就是能量耗散與退化。當(dāng)我們開發(fā)利用地球上能源時(shí),并不會(huì)降低地球上能量,而是將能源中高度有用能量形式降低為不大可用能量形式。使用電爐時(shí),電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,這個(gè)系統(tǒng)能否依靠本身作用(自發(fā)地)回到原來狀態(tài)?提醒:不能,除非系統(tǒng)靠外界幫助。而“外界幫助”將更多地消耗其它形式能,產(chǎn)生出更多內(nèi)能。第3頁一二三四二、絕對(duì)零度不可到達(dá)1.絕對(duì)零度宇宙中存在著溫度下限:-273.15℃,即絕對(duì)零度。2.熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度用T表示,單位是開爾文,符號(hào)是K,熱力學(xué)溫度T與攝氏溫度t之間換算關(guān)系是T=t+273.15K。

3.熱力學(xué)第三定律對(duì)大量事實(shí)研究分析表明,不可能經(jīng)過有限過程把物體冷卻到絕對(duì)零度。第4頁一二三四三、熵增加原理任何孤立系統(tǒng),它總熵永遠(yuǎn)不會(huì)減小;或者說,自然界一切自發(fā)過程,總是朝著熵增加方向進(jìn)行。第5頁一二四三四、有序向無序轉(zhuǎn)化1.熵熵是表征系統(tǒng)無序程度物理量,熵越大,系統(tǒng)無序程度越高。2.有序和無序系統(tǒng)自發(fā)過程總是從有序變?yōu)闊o序;從微觀角度說,熱傳遞過程也是從比較有序狀態(tài)變成比較無序狀態(tài)。第6頁一二一、熵與熵增加原理了解“熵”是什么?“熵”是德國物理學(xué)家克勞修斯創(chuàng)造一個(gè)術(shù)語,他用熵來表示任何一個(gè)能量在空間分布均勻程度。能量分布得越均勻,熵就越大。假如對(duì)于我們所考慮那個(gè)系統(tǒng)來說,能量完全均勻地分布,那么這個(gè)系統(tǒng)熵就到達(dá)最大值。簡(jiǎn)單地說,“熵”就是微觀粒子無序程度、能量差異消除程度。第7頁一二在克勞修斯看來,在一個(gè)封閉系統(tǒng)中,運(yùn)動(dòng)總是從有序到無序發(fā)展。比如,把一塊冰糖放入水中,結(jié)果整杯水都甜了。這就是說,糖分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展到了整杯水中,它們運(yùn)動(dòng)變得愈加無序了。對(duì)于一個(gè)封閉系統(tǒng),能量差也總是傾向于消除。比如,有水位差兩個(gè)水庫,假如把它們連接起來,那么,重力就會(huì)使一個(gè)水庫水面降低,而使另一個(gè)水庫水面升高,直到兩個(gè)水庫水面相等,勢(shì)能取平為止?？藙谛匏箍偨Y(jié)說,自然界中一個(gè)普遍規(guī)律是:運(yùn)動(dòng)總是從有序到無序,能量差異總是傾向變成均等,也即“熵將伴隨時(shí)間而增大”。第8頁一二二、熱力學(xué)溫度認(rèn)識(shí)熱力學(xué)溫度單位是開爾文,簡(jiǎn)稱開,符號(hào)是K。開爾文是為了紀(jì)念英國物理學(xué)家LordKelvin而命名。要求熱力學(xué)溫度單位開(K)與攝氏溫度單位攝氏度(℃)完全相同。1K=1℃。在表示溫度差或溫度間隔時(shí),用K和用℃數(shù)值相同。尤其提醒攝氏溫度1

℃分格與熱力學(xué)溫度1

K分格是等價(jià),攝氏溫度升高10

℃與熱力學(xué)溫度升高10

K是一回事,但不能說升高了283

K。第9頁類型一類型二類型三【例題1】

依據(jù)你對(duì)熵增加原理了解,舉出一些系統(tǒng)從有序變?yōu)闊o序例子。點(diǎn)撥:依據(jù)熵增加原理,自然界一切自發(fā)過程總是朝著熵增加方向進(jìn)行,而熵是描述系統(tǒng)無序程度物理量。熵越大,無序程度越高,所以,熵增加就意味著系統(tǒng)無序程度增加,即從有序向無序方向轉(zhuǎn)化。解析:比如:燃料燃燒、氣體擴(kuò)散、破鏡不能復(fù)原、覆水難收、一切生命體從生到亡等都是從有序變?yōu)闊o序例子。答案:看法析題后反思一切自發(fā)不可逆過程都是從有序到無序。第10頁類型一類型二類型三【例題2】

一個(gè)物體在粗糙平面上滑動(dòng),最終停頓。系統(tǒng)熵怎樣改變?點(diǎn)撥:本題考查是對(duì)熵增加原理了解和應(yīng)用。解析:因?yàn)槲矬w因?yàn)槭艿侥Σ亮ΧｎD運(yùn)動(dòng),其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)內(nèi)能,增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)程度,使得無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),也就是系統(tǒng)無序程度增加了,所以系統(tǒng)熵增加了。答案:看法析題后反思機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,一切能量最終歸宿都是內(nèi)能,而這些內(nèi)能不可再回收,所以使自然界熵增加。第11頁類型一類型二類型三【例題3】

關(guān)于熱力學(xué)溫度,以下說法正確是(

)A.-33℃=240KB.溫度改變1℃,也就是溫度改變1KC.攝氏溫度與熱力學(xué)溫度都可能取負(fù)值D.溫度由t升至2t,對(duì)應(yīng)熱力學(xué)溫度升高了273K+t點(diǎn)撥:由T=273

K+t,即可求解這類問題。解析:T=273

K+t,由此可知:-33

℃=240

K,A正確,同時(shí)B正確;D中初態(tài)熱力學(xué)溫度為273

K+t,末態(tài)為273

K+2t,溫度改變t,故D錯(cuò)誤;對(duì)于攝氏溫度可取負(fù)值范圍為-273~0

℃,因絕對(duì)零度達(dá)不到,故熱力學(xué)溫度不可能取負(fù)值,故C錯(cuò)誤。答案:AB第12頁類型一類型二類型三題后反思①熟練應(yīng)用T=t+273

K是處理相關(guān)攝氏溫度與熱力學(xué)溫度換算基礎(chǔ)。②就一個(gè)分度來說,1

℃和1

K相等,即ΔT=Δt。③對(duì)于同一個(gè)溫度來說,用不一樣溫標(biāo)表示,數(shù)值不一樣,這是因?yàn)榱阒颠x取不一樣。第13頁12341以下表述正確是(

)A.熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體B.依據(jù)物質(zhì)不滅原理,一切自然過程都應(yīng)該是可逆,可回轉(zhuǎn)C.熱力學(xué)第一定律又叫作熵增加原理D.在任何自然過程中,一個(gè)孤立系統(tǒng)總熵不會(huì)降低答案:AD第14頁12342下面關(guān)于熵說法錯(cuò)誤是(

)A.熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性量度B.在自然過程中熵總是增加C.熱力學(xué)第二定律也叫作熵減小原理D.熵值越大代表著越無序解析:假如過程是可逆,則熵不變;假如不可逆,則熵是增加,而且一切自然過程都是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大方向進(jìn)行。答案:C第15頁12343關(guān)于熱力學(xué)溫標(biāo)正確說法是(

)A.熱力學(xué)溫標(biāo)是一個(gè)更為科學(xué)溫標(biāo)B.熱力學(xué)溫標(biāo)零度為-273.15℃,叫絕對(duì)零度C.氣體溫度趨近于絕對(duì)零度時(shí)其體積為零D.在絕對(duì)零度附近氣體已液化,所以它壓強(qiáng)不會(huì)為零解析:熱力學(xué)溫標(biāo)在科學(xué)計(jì)算中,尤其表達(dá)在熱力學(xué)方程中,使方程更簡(jiǎn)單,更科學(xué),故A對(duì);B是熱力學(xué)溫標(biāo)常識(shí),正確;氣體趨近于絕對(duì)零度時(shí),已液化,但有體積,故其壓強(qiáng)不為零,C錯(cuò),D對(duì)。答案:ABD第16頁12344熱力學(xué)第二定律開爾文表述指出:內(nèi)能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化含有方向性。請(qǐng)結(jié)合熵改變加以解釋。答案:機(jī)械運(yùn)動(dòng)是宏觀情況下物體在空間位置上改變,物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變完全遵照牛頓運(yùn)動(dòng)定律所反應(yīng)因果關(guān)系,這是