資源簡介

(共18張PPT)
第三章 熱力學定律
第4節(jié) 熵——系統(tǒng)無序程度的度量
覆水難收
君不見黃河之水天上來
奔流到海不復回
成語“覆水難收”指一盆水被潑出后不可能再回到盆中, 為什么水不會自發(fā)地聚到盆中？
生活中符合某種規(guī)則的現(xiàn)象稱為有序,反之稱為無序。
規(guī)則越多,一個宏觀狀態(tài)對應的微觀狀態(tài)越少,出現(xiàn)的概率越小,我們稱之為越有序。反之規(guī)則越少,一個宏觀狀態(tài)對應的微觀狀態(tài)就越多,出現(xiàn)的概率也越大,我們稱之為越無序。
一、有序與無序
學校大會上，學生按班級、學號就座是有序的，學生隨意就座是無序的。有序與無序是相對的。按班級就座相對于全校隨意就座來說是有序的，但相對于既按班級又按學號順序入座來說是無序的。
用隔板將圍欄隔成兩部分，分別放養(yǎng)一群黑雞和一群白雞。如果將隔板抽去，一段時間后兩群雞會混在一起。
混合之后，雞的位置分布變得無序，混亂程度升高了，也就是說從有序（黑白分明）變成了無序（黑白混合）。
這個過程是不可逆的，黑雞和白雞不可能自動分開，從無序到有序，回到原來的狀態(tài)，除非這些雞經(jīng)過專門訓練或用捕捉的方式，即施加外界影響。
在熱傳遞過程中，兩個溫度不同的物體放在一起，熱量會自動地由高溫物體傳到低溫物體，直到二者溫度相同為止。從微觀角度看，高溫與低溫的區(qū)別，在于分子的平均動能不同。兩物體接觸后，內(nèi)能從高溫物體向低溫物體傳遞，導致高溫物體中的分子運動減慢、低溫物體中的分子運動加快，直到兩個物體達到相同的溫度為止。此時，整個系統(tǒng)末態(tài)比初態(tài)更加無序。換句話說，熱傳遞這個不可逆過程使無序程度增加了。
功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。機械運動遵從牛頓運動定律，有明確的因果關系，是有序的運動；
而在熱運動中，分子雜亂無章地向各個方向運動，包含著大量的微觀狀態(tài)，是無序的運動。
機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程即為從有序向無序變化的過程。在這個過程中，分子運動變得更加混亂，無序程度增加。
例如，焦耳實驗中葉輪轉(zhuǎn)動時，將葉輪的機械能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能之后，水的溫度升高，水分子的熱運動加劇，水分子的無序程度增加。
可見，與熱現(xiàn)象有關的自然發(fā)生的宏觀過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行。這就是熱力學第二定律的微觀本質(zhì)。
（1）物理學中用熵來量度系統(tǒng)的無序程度，用符號S表示。
（2）熵是熱力學中與溫度、內(nèi)能等同樣重要的一個狀態(tài)量，它只與熱力學變化過程的初態(tài)和末態(tài)有關，與中間過程無關。
（3）熱力學系統(tǒng)的每一個狀態(tài)，都對應有一個熵值。熵值越大，意味著系統(tǒng)越“混亂”和“分散”，無序程度越高。熵值越小，意味著系統(tǒng)越“整齊”和“集中”，也就越有序。
二、熵和熵增加原理
1.熵
與外界既沒有物質(zhì)交換又沒有能量交換的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)所發(fā)生的變化一定是自然發(fā)生的。
（1）孤立系統(tǒng)
根據(jù)熱力學第二定律的微觀解釋，自然過程總是沿著無序程度增大的方向進行，而熵是無序程度大小的量度。所以，在孤立系統(tǒng)中的宏觀過程必然朝著熵增的方向進行。這就是熵增加原理。
（2）熵增加原理
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，即在任何自然過程中，一切參與者的總能量必定保持不變，而總熵則必定增加。
2.熵增加原理
能量轉(zhuǎn)化的過程常常伴有內(nèi)能的產(chǎn)生。研究表明，即使是在最理想的熱機中，內(nèi)能也只是部分用來做功。只要有內(nèi)能產(chǎn)生，熱機做功的本領就會降低。
現(xiàn)象：從高處拋向地面的小球，在與空氣摩擦及與地面多次碰撞之后，機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，使小球逐漸停下來。
解釋：根據(jù)熱力學第一定律，整個系統(tǒng)（包括小球、空氣和地面）的能量守恒，但隨著內(nèi)能的產(chǎn)生，系統(tǒng)的熵值增大，小球做功的本領逐漸減小。
三、熵與能量退降
實際上，在熵增加的同時，一切不可逆過程總是使得能量從可利用狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不可利用狀態(tài)，能量品質(zhì)退化了，這種現(xiàn)象稱為能量退降。
熱力學第一定律告訴我們，自然界的能量在總量上是不變的；熱力學第二定律卻告訴我們，自然界的能量品質(zhì)正在退化，可利用的能量越來越少。因此，人類必須節(jié)約能源，提高能源的利用效率，積極開發(fā)新能源。
1.下列關于熵的說法錯誤的是 （ ）
A.熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度
B.在孤立系統(tǒng)中,一個自發(fā)的過程熵總是向減少的方向進行
C.熱力學第二定律的微觀實質(zhì)是熵是增加的
D.熵值越大,代表系統(tǒng)分子運動越無序
B
2.已知一個系統(tǒng)的兩個宏觀態(tài)甲、乙,及對應微觀態(tài)的個數(shù)分別為較少、較多,則下列關于對兩個宏觀態(tài)的描述及過程自發(fā)的可能方向的說法正確的是 ( )
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
A
3.下列關于熱力學第二定律微觀本質(zhì)的說法正確的是 ( )
A.從微觀的角度看,熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律
B.一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行
C.有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行,有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行
D.在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的總熵會減小
A
4.關于能量退降,下列說法正確的是 ( )
A.能量退降是指在一定條件下,能量在轉(zhuǎn)化過程中總量減少了
B.能量退降表明,能量守恒定律具有一定的局限性
C.能量退降表明,在能源的利用過程中,能量在數(shù)量上并未減少,但在可利用的品質(zhì)上降低了
D.能量守恒定律反映了自然界中能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程可以有任意的方向性
C

展開更多......

收起↑