2019年高中物理第十章热力学定律4热力学第二定律5热力学第二定律的微观解释学案(新人教版)选修3-3

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1、2019年高中物理第十章热力学定律4热力学第二定律5热力学第二定律的微观解释学案(新人教版)选修3-3[学习目标]1.通过自然界中传热的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因.2.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题.3.了解有序和无序，知道宏观态和微观态．知道熵的概念，了解熵增加原理．一、热力学第二定律的克劳修斯表述[导学探究]　热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？答案　不能．两个温度不同的物体相互接触时，热量

2、会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能．[知识梳理](1)热传导的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．(2)热力学第二定律的克劳修斯表述：德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的方向性．二、热力学第二定律的开尔文表述[导学探究]　如图1所示是制冷机和热机的工作过

3、程示意图，通过此图思考以下问题：图1(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？(2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？答案　(1)不是　(2)不能[知识梳理](1)热机①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能．第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能．②热机的效率η：热机输出的机械功与燃料产生的热量的比值，用公式表示为η＝.热机的效率不可能达到100%.(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．(该表述阐述了机械能

4、与内能转化的方向性)(3)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方向性．②气体向真空的自由膨胀是不可逆的．③第二类永动机是不可能制成的．(4)第二类永动机①定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化的热机．②第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库．三、热力学第二定律的微观解释[导学探究]　(1)如图2所示，一个箱子被挡板均匀分为左、右两室，

5、左室有4个气体分子a、b、c、d，右室为真空，撤去挡板后，气体自由扩散，以箱子内的4个分子为模型，说明具有哪些可能的宏观态和微观态，并用热力学第二定律说明，气体扩散后4个分子分布的最大一种可能和最小一种可能的情况．图2(2)试着从无序的角度谈谈上面问题中为什么“左2右2”这种均匀分布的可能性最大，能否由此得出热力学第二定律的微观意义？答案　(1)可能的宏观态有：左0右4，左1右3，左2右2，左3右1，左4右0；对应的微观态数目：1、4、6、4、1.不同的宏观态包含着不同数量的微观态，其中分子分布的最大一种可能情况是左2右2，最小

6、一种可能情况是左0右4或左4右0.(2)从无序的角度看，热力学系统是由大量做无序运动的分子组成的．因为任何热力学过程都伴随着分子的无序运动状态的变化，当撤去挡板的瞬间，分子仍聚集在左室，对于左、右两室这一个整体来讲，这显然是一种高度有序的分布，当气体分子自由扩散后，气体系统就变得无序了．我们看到“左2右2”这种均匀分布的可能性最大，而分子集中在一个室中，另一个室变成真空的可能性最小．实际上，当气体系统中分子个数相当多时，撤去挡板后实际上我们只能看到气体向真空中扩散，而不可能观察到气体分子重新聚集在一室中的现象．因此，气体的自由扩

7、散过程是沿着无序性增大的方向进行的，综上可知，一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义．[知识梳理](1)有序和无序：一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；个体分布没有(选填“有”或“没有”)确定的要求，“怎样分布都可以”即无序．(2)宏观态和微观态：系统的宏观状态即宏观态，系统内个体的不同分布状态即微观态．一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的．(3)热力学第二定律的微观意义①气体向真空的扩散：气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行的

8、．②热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．(4)熵及熵增加原理①熵：表达式S＝klnΩ，k表示玻耳兹曼常量，Ω表示一个宏观状态所对应的微观态的数目，S表示系统内分子运动无序性的量度，称为熵．②熵增加原理：在任何自然过程中