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(共29張PPT)
第四節(jié) 熵—系統(tǒng)無序程度的度量
教學(xué)課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 熱力學(xué)定律
高中物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊(cè)
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養(yǎng)目標(biāo)
新課講解
新課導(dǎo)入
經(jīng)典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習(xí)
課堂小結(jié)
1.了解熵的概念及熵增加原理,并能解釋生活中的有關(guān)現(xiàn)象
2.會(huì)利用熱力學(xué)第二定律和熵增加原理分析實(shí)際問題。
素養(yǎng)目標(biāo)
新課導(dǎo)入
成語(yǔ)“覆水難收”指一盆水被潑出后不可能再回到盆中,請(qǐng)結(jié)合熵的變化解釋為什么水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。
覆水難收
君不見黃河之水天上來
奔流到海不復(fù)回
新課講解
New lesson explanation
新課講解
一、有序與無序
與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性。
如何從微觀的角度來理解與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程的方向性？
熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。
通常，人們將生活中符合某種規(guī)則的現(xiàn)象稱為有序，反之稱為無序。
規(guī)則越少，一個(gè)宏觀狀態(tài)對(duì)應(yīng)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。
越有序
規(guī)則越多，一個(gè)宏觀狀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)越少，出現(xiàn)的概率越小，我們稱之為越有序。
越無序
新課講解
學(xué)校大會(huì)上，學(xué)生按班級(jí)、學(xué)號(hào)就座是有序的，學(xué)生隨意就座是無序的。有序與無序是相對(duì)的。按班級(jí)就座相對(duì)于全校隨意就座來說是有序的，但相對(duì)于既按班級(jí)又按學(xué)號(hào)順序入座來說是無序的。
舉個(gè)例子
新課講解
在熱傳遞過程中，兩個(gè)溫度不同的物體放在一起，熱量會(huì)自動(dòng)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(dòng)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(dǎo)致高溫物體中的分子運(yùn)動(dòng)減慢、低溫物體中的分子運(yùn)動(dòng)加快，直到兩個(gè)物體達(dá)到相同的溫度為止。此時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)末態(tài)比初態(tài)更加無序。換句話說，熱傳遞這個(gè)不可逆過程使無序程度增加了。
新課講解
整潔有序的書本，如果不注意整理，就會(huì)變得雜亂無序。如何才能使它回到有序狀態(tài)？
試想，如果分子的運(yùn)動(dòng)可自發(fā)地從無序變?yōu)橛行颍瑫?huì)有什么現(xiàn)象發(fā)生？這些現(xiàn)象會(huì)自然發(fā)生嗎？為什么？請(qǐng)與同學(xué)討論交流。
新課講解
功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。機(jī)械運(yùn)動(dòng)遵從牛頓運(yùn)動(dòng)定律，有明確的因果關(guān)系，是有序的運(yùn)動(dòng)；
而在熱運(yùn)動(dòng)中，分子雜亂無章地向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，包含著大量的微觀狀態(tài)，是無序的運(yùn)動(dòng)。
機(jī)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(gè)過程中，分子運(yùn)動(dòng)變得更加混亂，無序程度增加。
可見，與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然發(fā)生的宏觀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。這就是熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)。
新課講解
二、熵和熵增加原理
1.熵的定義：物理學(xué)中用熵來量度系統(tǒng)的無序程度，用符號(hào)S表示。
2.熵是熱力學(xué)中與溫度、內(nèi)能等同樣重要的一個(gè)狀態(tài)量，它只與熱力學(xué)變化過程的初態(tài)和末態(tài)有關(guān)，與中間過程無關(guān)。
3.熱力學(xué)系統(tǒng)的每一個(gè)狀態(tài)，都對(duì)應(yīng)有一個(gè)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。
新課講解
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。
4.孤立系統(tǒng)
根據(jù)熱力學(xué)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(jìn)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(jìn)行。這就是熵增加原理。
5.熵增加原理
新課講解
熵增加原理與能量守恒定律在物理學(xué)中具有同等重要的地位，二者都是對(duì)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。
思考
新課講解
三、熵與能量退降
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(jī)中，內(nèi)能也只是部分用來做功。只要有內(nèi)能產(chǎn)生，熱機(jī)做功的本領(lǐng)就會(huì)降低。
燃燒一塊煤，雖然它的能量沒有消失，但我們?cè)僖膊荒馨堰@些能量全部收集起來，讓它再一次做同樣多的功了。
實(shí)際上，在熵增加的同時(shí)，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(xué)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(xué)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。
新課講解
(1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，這個(gè)系統(tǒng)的熵就越大。
(2)在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加。
對(duì)熵的理解及對(duì)熵增加原理的理解
(3)對(duì)于孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)而言，所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進(jìn)行。或者說，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)減小。這就是熵增加原理。
(4)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，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，熵值越大代表著越無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。
新課講解
成語(yǔ)“覆水難收”指一盆水被潑出后不可能再回到盆中,請(qǐng)結(jié)合熵的變化解釋為什么水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。
由于盆的形狀確定,水在盆中時(shí),空間位置和所占據(jù)的空間的體積一定,顯得“有序”“整齊”和“集中”,系統(tǒng)的熵低。當(dāng)把水潑出后,它的形狀不再受盆的限制,各種可能的形狀都有,占據(jù)的空間面積和所處的位置都有多種可能,顯得“混亂”“分散”,較為“無序”,系統(tǒng)的熵高。水潑出的過程屬于從有序向無序的轉(zhuǎn)化過程,導(dǎo)致熵的增加,符合熵增加原理。反之,水聚到盆中過程,屬于從無序向有序轉(zhuǎn)化,即從高熵向低熵轉(zhuǎn)化,不符合熵增加原理,因此水不能自發(fā)地聚到盆中。
新課講解
經(jīng)典例題
Classic Example
經(jīng)典例題
1.下列關(guān)于熵的說法錯(cuò)誤的是
A.熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序程度的量度
B.在孤立系統(tǒng)中,一個(gè)自發(fā)的過程熵總是向減少的方向進(jìn)行
C.熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是熵是增加的
D.熵值越大,代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無序
√
解析：熵是分子運(yùn)動(dòng)無序程度的量度，熵越大，分子運(yùn)動(dòng)無序程度越大，A、D正確；孤立系統(tǒng)中發(fā)生的任何實(shí)際過程，其能量的總值保持不變，而其熵值增加，B錯(cuò)誤，C正確。
經(jīng)典例題
2.(多選)對(duì)于孤立體系中自然發(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，系統(tǒng)總是自發(fā)地從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故C正確，D錯(cuò)誤。
√
課堂練習(xí)
Classroom Practice
課堂練習(xí)
1.熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把散失的能量重新收集、加以利用。下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是( )
A.能量耗散說明能量不守恒
B.能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律
C.能量耗散過程中能量不守恒
D.能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度，反映出自然界中的宏觀過程具有方向性
課堂練習(xí)
1.答案：D
解析：能量耗散是指能量在轉(zhuǎn)化的過程中擴(kuò)散到周圍環(huán)境中無法再收集起來加以利用，其滿足能量守恒定律，也符合熱力學(xué)第二定律。能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了。能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性，所以A、B、C錯(cuò)誤，D正確。
課堂練習(xí)
2.關(guān)于永動(dòng)機(jī)，下列說法正確的是( )
A.隨著科技的不斷發(fā)展，永動(dòng)機(jī)是可以制成的
B.第一類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律
C.第二類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律
D.永動(dòng)機(jī)指的是在摩擦力趨于零的條件下一直運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，它不需要對(duì)外做功
課堂練習(xí)
2.答案：C
解析：第一類永動(dòng)機(jī)指不需要外界輸入能量，能夠不斷向外輸出能量的機(jī)器，它違反了能量守恒定律，是不可能制成的，B錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)指從單一熱源吸收熱量全部用來對(duì)外做功，不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器，它違反了熱力學(xué)第二定律，也是不可能制成的，C正確；無論是哪種永動(dòng)機(jī)，要么違反能量守恒定律，要么違反熱力學(xué)第二定律，因此都是不可能制成的，A錯(cuò)誤；無論哪種永動(dòng)機(jī)都需要對(duì)外做功，D錯(cuò)誤.
課堂練習(xí)
3.對(duì)于孤立系統(tǒng)中發(fā)生的實(shí)際過程，下列說法正確的是( )
A.系統(tǒng)的總熵只能增加，不可能減少
B.系統(tǒng)的總熵可能增加，可能不變，還可能減少
C.系統(tǒng)逐漸從比較有序向更無序的狀態(tài)發(fā)展
D.系統(tǒng)逐漸從比較無序向更有序的狀態(tài)發(fā)展
AC
課堂小結(jié)
Class Summary
課堂小結(jié)
生活中符合某種規(guī)則的現(xiàn)象稱為有序，反之稱為無序。
熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)：與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然發(fā)生的宏觀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。
一、有序與無序
二、熵和熵增加原理
在孤立系統(tǒng)中的宏觀過程必然朝著熵增的方向進(jìn)行。
三、熵與能量退降
在熵增加的同時(shí)，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
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