第3節熱力學第二定律第4節熵——無序程度的量度●課標要求知識與技能1.初步了解熱力學第二定律．2.運用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移以及方向性問題．3.了解第二類永動機不能制成的原因．4.知道熱力學第二定律的微觀本質．5.知道熵的概念，了解熵增加原理．6.能用熵增加原理解釋生活中一些現象．過程與方法1.與同學交流討論熱力學第二定律的多種不同表述方式的等效性，闡述自己的觀點．2.調查身邊的能量利用和環境污染的情況，能運用熱力學規律給予解釋，并能提出自己的建議．情感、態度與價值觀1.具有節約能源，保護環境的意識．2.初步樹立“經濟、社會與自然協調發展”的科學發展觀.●課標解讀1．知道與熱現象有關的宏觀過程具有方向性．知道什么是可逆過程和不可逆過程．2．了解熱機的基本工作原理，理解熱力學第二定律，知道熱力學第二定律不同的表述方式是等效的．3．能利用熱力學第二定律解釋一些物理現象，了解第二類永動機的設想及其不可能實現的原因．4．了解熱力學第二定律的微觀本質．5．初步了解熵是反映系統無序程度的物理量．6．知道熵增加原理及其作用．●教學地位熱力學第二定律與熱力學第一定律都是熱力學的基本定律．二者從不同角度揭示了與熱現象有關的物理過程所遵循的規律，二者相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎.●新課導入建議覆水難水君不見黃河之水天上來奔流到海不復回大家是否發現一些事件的發展過程具有方向性、不可逆性？這是本節課研究的課題．●教學流程設計eq\x(\a\al(課前預習安排：,1.看教材,2.填寫【課前自主導學】(同學之間可進行討論)))eq\x(步驟1：導入新課，本節教學地位分析)eq\x(步驟2：老師提問，檢查預習效果(可多提問幾個學生))?步驟3：師生互動完成“探究1”互動方式除例1外可再變換命題角度，補充一個例題以拓展學生思路)?eq\x(步驟7：指導學生完成【當堂雙基達標】，驗證學習情況)eq\x(步驟6：完成“探究3”(重在講解規律方法技巧))eq\x(步驟5：師生互動完成“探究2”(方式同完成“探究1”相同))eq\x(步驟4：讓學生完成【遷移應用】，檢查完成情況并點評)?步驟8：先由學生自己總結本節的主要知識，教師點評，安排學生課下完成【課后知能檢測】課標解讀重點難點1.了解熱傳導及宏觀過程的方向性．2.了解熱力學第二定律的多種表述，并用熱力學第二定律解釋第二類永動機不可能制成的原因．3.了解熵的概念及熵增加原理，并能解釋生活中的有關現象.1.用熱力學第二定律解釋熱傳導方向性并能舉出相應的例子．(重點)2.用熱力學第二定律解釋自然界中能量轉化的方向性問題，知道第二類永動機不可能制成的原因．(重點)3.從熵增加原理的角度解釋某些熱現象．(難點)知識1自然過程的方向性1.基本知識(1)可逆過程和不可逆過程①可逆過程：能使系統和外界完全復原，即系統回到原來的狀態，同時消除原來過程對外界的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程．②不可逆過程：如果用任何方法都不能使系統和外界完全復原，則原來的過程稱為不可逆過程．(2)熱傳遞的方向性溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會自發地從高溫物體傳給低溫物體，但不會自發地從低溫物體傳給高溫物體．這說明熱傳遞是不可逆過程，具有方向性．(3)功轉變為熱的方向性在焦耳的葉輪攪水實驗中，重物下落使水溫上升，是機械能轉化為內能的過程；與此相反過程，即水溫自動降低，產生水流，推動葉片轉動，帶動重物上升的過程是不可能發生的，盡管它不違背熱力學第一定律．可見功轉變為熱這一熱現象是不可逆的，具有方向性．(4)熱轉變為功的方向性①熱機：消耗內能對外做功的裝置．②原理：熱機必須工作在兩個溫度不同的熱源之間，通過工作物質，將從高溫熱源吸收的熱量，一部分用來對外做功，另一部分完全損耗掉，損耗的熱量不可能再自動地收集起來．所以熱轉變為功這一熱現象也是不可逆的，具有方向性．(5)結論凡是與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性．2．思考判斷(1)凡是不違背能量守恒的過程都一定能實現．(×)(2)在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體．(√)(3)機械能可以轉變為內能，內能不可以轉變為功．(×)3．探究交流請舉出日常生活中的一些不可逆過程．【提示】(1)破鏡不能重圓．(2)水從高山流到河谷，不可能自己再返回高山．(3)一滴墨水滴入一杯清水中，墨水擴散均勻后，不可能再自動地凝聚成一滴墨水.知識2熱力學第二定律的表述1.基本知識(1)第一種表述(克勞修斯表述)不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化．(說明熱傳導的方向性)(2)第二種表述(開爾文表述)不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變為有用功而不引起其他變化．(說明機械能與內能轉化的方向性)熱力學第二定律的這兩種表述是等價的．熱現象的宏觀過程是不可逆的．(3)第二類永動機①定義從單一熱源吸取熱量并使之完全轉化為功而不產生其他影響的機器．②第二類永動機不可能制成第二類永動機并不違背熱力學第一定律，但違背了熱力學第二定律．③熱力學第二定律的又一表述第二類永動機是不可能制成的．2．思考判斷(1)第一類永動機違背了能量守恒定律．(√)(2)第二類永動機違背了熱力學第一定律．(×)(3)第二類永動機違背了熱力學第二定律．(√)3．探究交流有可能制成第二類永動機嗎？【提示】第二類永動機不可能制成，盡管機械能可以全部轉化為內能，但內能卻不能全部轉化為機械能而不引起其他變化；機械能和內能的轉化過程具有方向性．知識3熵和熵增加原理1.基本知識(1)定義用來量度系統無序程度的物理量叫做熵．(2)熵增加原理在孤立系統中，一切不可逆過程必然朝著熵增加的方向進行，孤立系統是指與外界既沒有物質交換也沒有能量交換的系統．(3)熱力學第二定律的微觀本質：一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行．2．思考判斷(1)熵是系統內分子運動無序性的量度．(√)(2)在自然過程中熵總是增加的．(√)(3)熵值越大代表越有序．(×)3．探究交流質量相同、溫度相同的水，如圖5－3－1所示分別處于固態、液態和氣態三種狀態下，它們的熵的大小有什么關系？為什么？氣體液體固體圖5－3－1【提示】根據大量分子運動對系統無序程度的影響，熱力學第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統自發變化時，總是向著無序程度增加的方向發展，至少無序程度不會減少，這也就是說，任何一個系統自發變化時，系統的熵要么增加，要么不變，但不會減少．質量相同、溫度相同的水，可以由固態自發地向液態、氣態轉化，所以，氣態時的熵最大，其次是液態，固態時的熵最小.課堂互動探究探究1對熱力學第二定律的理解【問題導思】1．熱力學第二定律的兩種表述是什么？2．熱力學第二定律的不同表述有什么共同的物理意義？1．兩種表述是等價的熱力學第二定律的兩種表述看上去似乎沒有什么聯系，然而實際上它們是等價的，即由其中一個，可以推導出另一個．2．克勞修斯表述指明熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助，其物理本質是揭示了熱傳遞過程是不可逆的．3．開爾文表述中的“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變為功而外界及系統都不發生任何變化．其物理實質揭示了熱轉變為功過程是不可逆的．4．熱力學第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的．特別提醒1．在可以引起其他影響的情況下，熱可以從低溫物體傳到高溫物體，如空調、冰箱等．2．分析熱力學第二定律的應用問題時都不能忽視“自發性”和“不引起其他變化”的物理意義．例一根據熱力學第二定律，下列說法中正確的是()A．電流的電能不可能全部轉變成內能B．在火力發電中，燃氣的內能不可能全部轉變為電能C．在熱機中，燃氣的內能不可能全部轉變為機械能D．在熱傳導中，熱量不可能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體【審題指導】解題的關鍵是理解熱傳導的方向性和能量轉化的方向性．【解析】電能可以全部轉化為內能，如純電阻電路，而燃氣的內能不可能全部轉化為電能和機械能，故A錯誤，B、C正確．根據熱力學第二定律關于熱傳導的描述，D正確．【答案】BCD遷移應用1．下列關于熱現象的描述正確的是()A．根據熱力學定律，熱機的效率可以達到100%B．做功和熱傳遞都是通過能量轉化的方式改變系統內能的C．溫度是描述熱運動的物理量，一個系統與另一個系統達到熱平衡時兩系統溫度相同D．物體由大量分子組成，其單個分子的運動是無規則的，大量分子的運動也是無規則的【答案】C探究二對熵和熵增加原理的理解【問題導思】1．什么是熵？它是由物體的什么決定的？2．從熵的概念分析，熱力學第二定律的實質是什么？1．熵是反映系統無序程度的物理量，正如溫度反映物體內分子平均動能大小一樣，系統越混亂無序程度越大，這個系統的熵就越大．2．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律，一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發展．3．對于絕熱或孤立的熱力學系統而言，所發生的是由非平衡態向著平衡態的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進行．或者說，一個孤立系統的熵永遠不會減小，這就是熵增加原理．4．在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵不會減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加．特別提醒熵增加原理的適用對象是對于孤立系統，如果是非孤立系統，熵有可能減少．例二對于孤立體系中發生的實際過程，下列說法中正確的是()A．系統的總熵只能增大，不可能減小B．系統的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C．系統逐漸從比較有序的狀態向無序的狀態發展D．系統逐漸從比較無序的狀態向更加有序的狀態發展【審題指導】熵是反映系統的無序程度的物理量，根據熵增加原理，一個孤立系統熵永遠不會減小．熵越大，無序程度越大．【解析】根據熵增加原理，一個孤立系統發生的實際過程，總熵只能增大，A正確，B錯誤．再根據熵的物理意義，它量度系統的無序程度，熵越大，無序程度越大，故C正確，D錯誤．【答案】AC規律總結1．熵增加原理是判斷不同狀態的物體不可逆過程進行方向的共同標準．2．熵增加原理與能量守恒定律在物理學中具有同等重要的地位，二者都是對自然過程的一種限制．遷移應用2．下列關于熵的有關說法錯誤的是()A．熵是系統內分子運動無序性的量度B．在自然過程中熵總是增加的C．熱力學第二定律也叫做熵減小原理D．熵值越大表示系統越無序【解析】根據熵的定義知A正確．從熵的意義上說，系統自發變化時總是向著熵增加的方向發展，B正確．熱力學第二定律也叫熵增加原理，C錯．熵越大，系統越混亂，無序程度越大，D正確．故選C.【答案】C探究3綜合解題方略——熱力學第一定律與熱力學第二定律的應用例三下列說法正確的是()A．物體吸收熱量，其溫度一定升高B．熱量只能從高溫物體向低溫物體傳遞C．遵守熱力學第一定律的過程一定能實現D．做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種方式【審題指導】根據熱力學第一定律，熱傳遞和做功都可以改變物體的內能．再根據熱力學第二定律，可以判定熱現象能不能發生．【規范解答】物體吸熱溫度不一定升高，A錯．熱量只能自發地從高溫物體向低溫物體傳遞，B錯．遵守熱力學第一定律的過程不一定能實現，C錯．應選D.【答案】D規律總結熱力學第一定律與熱力學第二定律的比較規律區別聯系熱力學第一定律熱力學第二定律區別熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的表現，否定了創造能量和消滅能量的可能性熱力學第二定律是關于在有限空間和時間內，一切和熱現象有關的宏觀過程都具有方向性的經驗總結聯系兩定律都是熱力學基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現象有關的物理過程所遵循的規律，二者相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎.課堂小結【備課資源】(教師用書獨具)可逆過程與不可逆過程1．可逆過程在一個過程發生時，系統從某個狀態Ⅰ經過一系列的中間狀態，最后變化到另一個狀態Ⅱ.如果使系統進行逆向變化，由狀態Ⅱ經歷與原過程完全一樣的那些中間狀態，回復到原狀態Ⅰ；并且在逆向變化的過程中，原過程對外界所產生的一切影響逐步地被一一消除，在外界不留絲毫痕跡，則由狀態Ⅰ到狀態Ⅱ的過程，稱為可逆過程．可逆過程的條件：(1)單純的、無機械能耗散的機械過程是可逆的．例如：一個理想的單擺，在沒有空氣阻力和其他摩擦力作用時，它的擺動過程是可逆的．(2)無摩擦、無耗散(漏氣、散熱或電磁損耗等)的準靜態過程是可逆的．例如：如果氣體膨脹或壓縮的過程進行得無限緩慢，使氣體在過程中的每一時刻都處于平衡態，而且沒有漏氣、摩擦和散熱等損耗，則當過程逆向進行時，就能重復原過程的所有中間狀態并恢復原狀，在外界也不留下任何痕跡．即在不考慮摩擦、漏氣和散熱等損耗的理想情形下，準靜態過程是可逆的．(