第五节 热力学第二定律的微观解释 新课标 人教版

第五节 热力学第二定律的微观解释 新课标 人教版

第五节 热力学第二定律的微观解释 ‎ ‎【指路问津】 ‎ ‎（1）从微观的角度看，热力学第二定律研究的是在自然状态下构成物质的大量分子的运动趋势，分子的运动状态越来越接近相同，接近平均值，通过本节课文的学习，你认为这个观点对吗？‎ ‎（2）熵用来描述什么物理现象的？能否说熵是量度系统中大量分子作无规则运动的程度？它的物理意义是什么？‎ ‎【典型例题】‎ ‎1．电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了 A．热量能自发地从低温物体传给高温物体 B．在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体 C．热量的传导过程不具有方向性 D．在自发地条件下热量的传导过程具有方向性 ‎ [精与解] 我们知道，一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体传向低温物体；又如扩散，气体总是由密度大的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下气体可以由密度大的地方向密度小的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外力做功把热量从低温物体─冷冻食品传向高温物体─周围的大气。所以，在回答热力学过程的方向问题时，要区分是自发过程还是非自发过程，电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的。本题答案是A错B对C错D对。‎ ‎[解后思] 热力学第二定律的克劳修斯表述说明了内能转移过程的方向性；开尔文表述体现了机械能和内能之间转化的方向性，得出了第二类永动机是不可能制成的结论。定律的实质是说明了一切自发过程的方向性、不可逆性，其功用是可以判断一切过程进行的方向和限度。‎ 热力学第一定律说的是过程必须满足能量守恒定律，而热力学第二定律则说明过程能否实现。二者是相辅相成、缺一不可的。‎ ‎2．下面关于熵的说法错误的是 A．熵是物体内分子运动无序程度的量度 B．在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行 C．热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原理 D．熵值越大，代表系统分子运动越无序 ‎[精与解] 热力学第二定律提示：一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行的。例如，功转变为热是机械能或电能转变为内能的过程是大量分子的有序运动向无序运动转化，气缸内燃气推动活塞做功燃气分子作有序运动，排出气缸后作越来越无序的运动。‎ ‎ 物理学中用熵来描述系统大量分子运动的无序性程度。热力学第二定律用熵可表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。‎ ‎ 纵上所述可知A、C、D说法是正确的，只有B说法与热力学第二定律相悖。‎ ‎[解后思] 熵是从微观角度给出系统内的大量分子热运动无序性的数学量度，课本上所说的“一个宏观态对应的微观态的数目”是涉及大量分子无序化程度的规律，所以是一条统计规律。熵S＝klnΩ中，Ω就是“微观态”可能出现的概率（或几率），一个宏观态对应的微观态的数目越大，出现的概率越高，实际上能够观察到的宏观状态就是在一定宏观条件下出现的概率最大的状态。‎ ‎【阶梯训练】‎ ‎[梯次一]‎ ‎１．关于有序和无序下列说法正确的是（ ）‎ A．有序和无序不是绝对的 ‎ B．一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”‎ C．一个“宏观态”对应着唯一的“微观态”‎ D．无序意味着各处一样、平均、没有差别 ‎2．根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（ ）‎ A．内能可以自发的转变成机械能 B．扩散的过程完全可逆的 C．火力发电时，燃烧物质的内能不可以全部转化为电能 D．热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体 ‎3．倒一杯热水，然后加入适当的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶，关于这个过程下列叙述正确的是（ ） ‎ A．溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的 B．溶解过程是有序向无序转变的过程 C．结晶过程是有序向无序转变的过程 D．结晶过程不是自发的，因为有外界的影响 ‎4．下列说法正确的是 ( ) ‎ A．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布，则B分布更无序 B．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布，则A分布更无序 C．大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是可逆的 D．大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是不可逆的 ‎5‎ ‎．一个密闭的容器内有稀薄气体，在容器上开一个小口，外部的空气就会流入容器，在气体流入过程中，容器内靠近开口处的空气密度暂时变得比内部大，以下说法正确的是（ ）‎ A．此时容器内气体处于一个不平衡状态，是一个最无序的状态 ‎ B．外界的影响破坏了容器内气体的平衡 ‎ C．上面事实说明热力学第二定律只适用于封闭系统 D．对一个开放系统并不一定是最无序的分布 ‎ ‎6．下列关于热现象的说法，正确的是（ ）‎ A．外界对物体做功，物体的内能一定增加 B．物体的温度可以一直降低到绝对零度 C．任何条件下，热量都不会由低温物体传递到高温物体 D．任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能 ‎7．关于热力学第二定律的理解下列正确的是（ ） ‎ A．宏观与热有关的自发的物理过程都是不可逆的 B．所有热过程都是从有序变为无序 C．熵增加原理说明自然的物理过程具有方向性 D．热运动是一种最无序的运动，内能是最无序运动所对应的能量，因此机械能可以全部转变为内能，但不可能将内能100‎‏٪‏全部转变为机械能 ‎ ‎8．下列关于热力学定律的表述正确的是（ ） ‎ A．热力学零度不可达到 B．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化 C．其数学表达式是△U=Q+W D．能量在转化或转移的过程中总量保持不变 ‎9．1997年诺贝尔物理学奖授与朱棣文等三人，以表彰他们在激光冷却和捕获原子的方法上所作出的贡献。目前已应用激光将原子的温度冷却到10-12K的数量级，‎ 已经非常接近0K，下列关于”0K”说法中正确的是 ( ) ‎ A．0K即0℃，随着科学的发展是可以达到的 B．0K即0℃，只能无限接近,但不可能达到 C．0K即绝对零度，随着科学的发展是可以达到的 D．0K即绝对零度，只能无限接近，但不可能达到 ‎10．下列所述过程是可逆的，还是不可逆的? 如果是可逆过程请在（ ）中打“✓”‎ ‎(1) 汽缸与活塞组合中装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与汽缸间没有摩擦时。（ ）‎ ‎(2) 上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与汽缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时。（ ）‎ ‎(3) 上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时。（ ）‎ ‎(4) 在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高。（ ）‎ ‎(5) 一传热的容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，液体不停地搅动，可保持温度不变。（ ）‎ ‎(6) 在一绝热容器内，不同种类的液体进行混合。（ ）‎ ‎(7) 在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合。（ ）‎ ‎ ‎ ‎[梯次二]‎ ‎11．根据热力学定律可知，下列说法中正确的是（ ）‎ A．“永动机”是可能制成的 ‎ B．一切宏观热力学过程都具有方向性 ‎ C．关于自然过程的方向性可以这样表：即在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 D．热力学第二定律与能量守恒定律是相互矛盾的 ‎12．下列关于热现象的论述中，正确的是（ ）‎ A．给自行车车轮打气时，要克服空气分子间的斥力来压活塞 B．布朗运动的剧烈程度与温度的高低无关 C．随科学技术的发展，物体的温度可以降低到绝对零度 D．热机的效率不可能提高到100%，因为它违背热力学第二定律 ‎13．下列说法正确的是（ ）‎ A．热力学第二定律只在一定前提条件下才能成立 B．热力学第二定律揭示了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 C．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 D．热力学第二定律揭示了有大量分子参与宏观过程的方向性 ‎14．下列说法正确的是（ ）‎ A．与热现象有关的自发的宏观过程是有方向性的 B．与热现象有关的自发的宏观过程是熵增加的过程 C．气体扩散现象向着无序性增加的方向进行,是可逆过程 D．机械能转化为内能的过程是系统的熵增加的过程 ‎15．从微观角度看（ ） ‎ A．热力学第二定律是一个统计规律 B．一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展 C．一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大 D．出现概率越大的宏观状态，熵值越大 ‎16．下列说法中正确的是（ ）‎ ‎ A．在绝对零度附近所有分子都将停止运动 B．在自然条件下，热量不可能从低温物体传给高温物体 C．热力学温度每一度的大小跟摄氏温度的每一度大小相同 D．随科学技术的发展，物体的温度可以降低到绝对零度 ‎17．关于热力学第二定律有一下四种说法：①热力学第二定律使我们认识到：自然界中进行的一切宏观过程都具有方向性，是不可逆的；②热力学第二定律使我们认识到：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的； ③热力学第二定律使我们认识到：热量不可能由低温物体传递到高温物体；④第二类永动机违背了能量守恒定律和热力学第二定律，因此不可能制成。上述说法中正确的是 ( ) ‎ A．② B．②③ C．①④ D．①③④‎ ‎18．（1）在一套二居室的单元中，放一只蜜蜂，这只蜜蜂出现在左房间的几率是多少？‎ ‎（2）放四只蜜蜂，四只蜜蜂都出现在左房间、三只蜜蜂都出现在左房间、二只蜜蜂都出现在左房间的几率各是多少？‎ ‎（3）在上面的情况下请找出哪一种分布是最无序的分布？你需要多少只蜜蜂才能说“最无序的分布将是最持久的平衡”？ ‎ ‎19．一绝热容器被隔板分为体积相等的两部分，一边是n mol的空气，一边为真空。突然将隔板抽掉，气体向真空自由膨胀，最后充满整个容器，如图所示。求封闭系统在此过程中：（1）初、末状态的熵； （2）熵的变化。(阿伏伽德罗常数为NA)‎ 提示：系统的一个宏观态对应的微观态的数目越大，出现的概率就越大。例如，考虑容器中某一个分子的情况，膨胀后在整个容器中的概率为Ω＝1，在左、右两侧的概率为Ω＝1/2；第二个分子的概率和第一个分子的分布一样，所以两个分子都在左边的概率为Ω＝（1/2）2；加入第三个分子算，它单独在左的概率也为Ω＝1/2，三个分子都在左侧的概率分布为Ω＝（1/2）3；所以四个分子都在左侧的概率分布为Ω＝（1/2）4，以此类推，系统中有N个分子，所有分子都在左边的概率为Ω＝（1/2）N ‎ ‎ ‎ ‎ 第19题 ‎[参考答案]‎ ‎1．ABD 2．CD 3．BD 4．AD 5．BCD 6．D 7．ACD 8．A ‎ ‎9．D 10．(1)发生自由膨胀，则是不可逆过程. (2)有摩擦发生，也是不可逆过程. (3)是准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程. (4)这是由功变为热，是不可逆过程. (5)此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不可逆过程. (6)液体的扩散是不可逆过程. (7)有一定温度差的热传导也是不可逆过程 11．BC 12．D 13．BCD 14．ABD 15．ACD 16．BCD 　　17． A ‎ ‎18．（1）1/2 （2）1/16；3/16；6/16 （3）大量的或无数的 19．(1)－nNAkln2， 0 (2) nNAkln2‎ ‎ ‎