（課改地區(qū)專用）2018-2019學(xué)年高考物理總復(fù)習(xí) 2.5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋學(xué)案.doc
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2.5 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 學(xué)習(xí)目標(biāo) 核心提煉 1.知道有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念。 4個(gè)概念——有序、無序、宏觀態(tài)、微觀態(tài) 1個(gè)原理——熵增加原理 2.了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義，了解熵的概念及用熵的概念表示的熱力學(xué)第二定律。 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 1.有序和無序：一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的某種規(guī)則，有順序地排列即有序；個(gè)體分布沒有(選填“有”或“沒有”)確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序。 2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)：系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體的不同分布狀態(tài)即微觀態(tài)。 一個(gè)“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個(gè)“宏觀態(tài)”是比較無序的。 3.熱力學(xué)第二定律的微觀意義 (1)氣體向真空的擴(kuò)散：氣體的自由擴(kuò)散過程是沿著無序性增大的方向進(jìn)行的。 (2)熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。 4.熵及熵增加原理 (1)熵：表達(dá)式S＝kln Ω，k表示玻耳茲曼常量，Ω表示一個(gè)宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目，S表示系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度，稱為熵。 (2)熵增加原理：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小。 思考判斷 (1)一個(gè)系統(tǒng)中個(gè)體排列的“有序”和“無序”是絕對的。() (2)一個(gè)宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目較多，則熵越大。(√) (3)熵值越大代表著越有序。() (4)孤立系統(tǒng)的總熵可能增大，也可能減小。() 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 [要點(diǎn)歸納] 1.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 (1)高溫物體和低溫物體中的分子都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，但是高溫物體中分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率要大于低溫物體。 (2)在高溫物體分子與低溫物體分子的碰撞過程中，低溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)逐漸加劇，即低溫物體的溫度升高了，而高溫物體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度會(huì)減緩，即高溫物體的溫度降低了，所以從宏觀熱現(xiàn)象角度來看，熱傳遞具有方向性，總是從高溫物體傳給低溫物體。 (3)換一種角度看，初始狀態(tài)我們根據(jù)溫度的高低來區(qū)分兩個(gè)物體，而終了狀態(tài)兩個(gè)物體上的溫度處處相同，無法區(qū)別，我們就說系統(tǒng)的無序程度增加了。 (4)在通過做功使系統(tǒng)內(nèi)能增加的過程中，自然過程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。 2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義 (1)熱力學(xué)第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀自然過程都只能在一個(gè)方向上發(fā)生，而不會(huì)可逆地在相反的方向上出現(xiàn)。它指出在能量得以平衡的眾多過程中，哪些可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生。 (2)自然界涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的，宏觀自發(fā)過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時(shí)間的方向性。所以，“熵”又常常被稱為“時(shí)間箭頭”。 3.熵和熵增加原理 (1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動(dòng)能大小一樣。系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個(gè)系統(tǒng)的熵越大。 (2)系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會(huì)減少。也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是由熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行。從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會(huì)使熵減小。 (3)任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有一定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過程中產(chǎn)生或傳遞。 [精典示例] [例] 下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀意義的說法正確的是( ) 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.一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行 C.有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性減小的方向進(jìn)行 D.在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵總減小 解析 熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，A正確；從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運(yùn)動(dòng)無序程度增大的方向進(jìn)行，B、C錯(cuò)誤；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進(jìn)行，也就是熵增加的方向進(jìn)行，故D錯(cuò)誤。 答案 A 有序及無序過程的判斷 (1)解此類題目要理解好有序和無序，確定某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則和要求的就是有序的，不符合這個(gè)規(guī)則和要求的分布是無序的。 (2)無序意味著各處平均沒有差別；而有序則相反，是按照某種規(guī)則排列的，有序與無序是相對的?！ ? [針對訓(xùn)練] (多選)從微觀角度看，下列說法正確的是( ) A.熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律 B.一個(gè)非孤立的系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展 C.一個(gè)宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)越多，越是無序，熵值越大 D.出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài)，熵值越大 解析 一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行。熵是用來描述系統(tǒng)大量分子運(yùn)動(dòng)無序性程度的。在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，也就是說，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。反映了一個(gè)孤立系統(tǒng)的自然過程會(huì)沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。對于一個(gè)非孤立的系統(tǒng)，在與外界有能量交換時(shí)其熵也有可能變小，故B錯(cuò)誤，A、C、D正確。 答案 ACD 1.(熱力學(xué)第二定律的微觀解釋)(多選)關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說法正確的是( ) A.大量分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng) B.熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 C.熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程 D.一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行 解析 分子熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的一個(gè)宏觀過程包含著大量的微觀狀態(tài)，這是一個(gè)無序的運(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)更加無序，而不是變成了有序，熱傳遞的自然過程從微觀上講就是大量分子從無序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，故選項(xiàng)C、D正確。 答案 CD 2.(熵概念的理解)(多選)關(guān)于孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過程，下列說法中正確的是( ) A.系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小 B.系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小 C.系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展 D.系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展 解析 在孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過程，其系統(tǒng)的總熵總是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯(cuò)誤；根據(jù)熵增加原理，該系統(tǒng)只能是從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故C正確，D錯(cuò)誤。 答案 AC 基礎(chǔ)過關(guān) 1.(多選)倒一杯熱水，然后加入適量的糖后，糖會(huì)全部溶于水中，但一段時(shí)間后又觀察到杯底部有糖結(jié)晶，關(guān)于這個(gè)過程下列敘述正確的是( ) A.溶解過程是自發(fā)的，結(jié)晶過程也是自發(fā)的，因此熱力學(xué)第二定律是錯(cuò)誤的 B.溶解過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程 C.結(jié)晶過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程 D.結(jié)晶過程不是自發(fā)的，因?yàn)橛型饨绲挠绊? 解析 溶解過程是自發(fā)的，是由有序向無序轉(zhuǎn)變的過程；結(jié)晶過程不是自發(fā)的，通常是由于水溫降低或水的蒸發(fā)引起，是由無序向有序的轉(zhuǎn)變過程，故選項(xiàng)B、D正確，A、C錯(cuò)誤。 答案 BD 2.(多選)下列關(guān)于熵的觀點(diǎn)中正確的是( ) A.熵越大，系統(tǒng)的無序度越大 B.對于一個(gè)不可逆絕熱過程，其熵總不會(huì)減小 C.氣體向真空擴(kuò)散時(shí)，熵值減小 D.自然過程中熵總是增加的，是因?yàn)橥ㄏ驘o序的渠道要比通向有序的渠道多得多 解析 熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度，熵越大，其無序度越大，選項(xiàng)A正確；一個(gè)不可逆絕熱過程，其宏觀狀態(tài)對應(yīng)微觀態(tài)數(shù)目增大，其熵會(huì)增加，不會(huì)減小，選項(xiàng)B正確；氣體向真空中擴(kuò)散，無序度增大，熵值增大，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；自然過程中，無序程度較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率大，因而通向無序的渠道多，選項(xiàng)D正確。 答案 ABD 3.(多選)下列關(guān)于氣體在真空中的擴(kuò)散規(guī)律的敘述中正確的是( ) A.氣體分子數(shù)越小，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 B.氣體分子數(shù)越大，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大 C.擴(kuò)散到真空容器中的分子在整個(gè)容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大 D.氣體向真空中擴(kuò)散時(shí)，總是向著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行 解析 由熱力學(xué)第二定律的微觀解釋“一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大方向進(jìn)行”和熵的概念可知，A、C、D正確。 答案 ACD 4.已知一個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)宏觀態(tài)甲、乙，及對應(yīng)微觀態(tài)的個(gè)數(shù)分別為較少、較多，則下列關(guān)于對兩個(gè)宏觀態(tài)的描述及過程自發(fā)的可能方向的說法中正確的是( ) A.甲比較有序，乙比較無序，甲→乙 B.甲比較無序，乙比較有序，甲→乙 C.甲比較有序，乙比較無序，乙→甲 D.甲比較無序，乙比較有序，乙→甲 解析 一個(gè)宏觀態(tài)對應(yīng)微觀態(tài)的多少標(biāo)志了宏觀態(tài)的無序程度，從中還可以推知系統(tǒng)自發(fā)的方向，微觀態(tài)數(shù)目越多，表示越無序，一切自然過程總沿著無序性增大的方向進(jìn)行，A正確，B、C、D錯(cuò)誤。 答案 A 能力提升 5.(多選)關(guān)于熵，下列說法中正確的是( ) A.熵值越大，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無序程度越高 B.熵值越小，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無序程度越高 C.熵值越大，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序 D.熵值越小，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就是越有序 答案 AD 6.用隔板將一絕熱容器隔成A和B兩部分，A中盛有一定質(zhì)量的理想氣體，B為真空(如圖1甲所示)，現(xiàn)把隔板抽去，A中的氣體自動(dòng)充滿整個(gè)容器(如圖乙所示)，這個(gè)過程稱為氣體的自由膨脹，下列說法正確的是( ) 圖1 A.自由膨脹過程中，氣體分子只做定向運(yùn)動(dòng) B.自由膨脹前后，氣體的壓強(qiáng)不變 C.自由膨脹前后，氣體的溫度不變 D.容器中的氣體在足夠長的時(shí)間內(nèi)，能全部自動(dòng)回到A部分 解析 由分子動(dòng)理論知，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)是永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由能量守恒定律知，氣體膨脹前后內(nèi)能不變，又因一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，所以氣體的溫度不變，故選項(xiàng)C正確；由＝常量，所以氣體壓強(qiáng)變小，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律知，真空中氣體膨脹具有方向性，在無外界影響的情況下，容器中的氣體不能自發(fā)地全部回到容器的A部分，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 答案 C 7.如圖2所示，質(zhì)量、溫度相同的酒精，分別處于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關(guān)系？為什么？ 圖2 解析 根據(jù)大量分子運(yùn)動(dòng)對系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學(xué)第二定律的另一種表述是：由大量分子組成的系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會(huì)減少。也就是說，任何一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會(huì)減少。質(zhì)量相同、溫度相同的酒精，可以由固態(tài)自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉(zhuǎn)化，所以氣態(tài)的酒精熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時(shí)熵最小。 答案 S固下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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