主题：【讨论】热力学, 熵, 和资本主义条件下的个人博弈 (1) -- 晓兵

第4节 热力学第二定律

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1.了解热传导过程的方向性。

2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的物理实质。

3.了解什么是第二类永动机。

4.理解第二类永动机不可能制成。

诱思导学

1.可逆与不可逆过程

（1）.热传导的方向性

热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。

热量Q能自发传给

低温物体

高温物体

热量Q不能自发传给

(2).说明：

①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。

②热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。

③要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。电冰箱、空调就是例子。

2.热力学第二定律的两种表述

①.克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。

②.开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

3.热机

热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2。

由能量守恒定律可得：

Q1=W+Q2

我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η=

4.第二类永动机

①.设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。

②.第二类永动机不可能制成，表示尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。

典例探究

例1 下列所述过程是可逆的，还是不可逆的？

A.气缸与活塞的组合内装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间没有摩擦，气体缓慢地膨胀时；

B.上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时；

C.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；

D.在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高；

E.在一传热容器内盛有液体，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；

F.在一绝热容器内，不同温度的液体进行混合；

G.在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合；

解析：A.发生自由膨胀，则是不可逆的；

B.有摩擦发生，也是不可逆的；

C.是准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程。

D.这是做功变为热的过程，一定不可逆。

E.此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不可逆过程。

F.液体的扩散是不可逆过程。

G.有一定温度差的热传导是不可逆过程。

友情提示：注意分析可逆与不可逆满足的条件。

例2 一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1kW，制冷能力1.2×104kJ/h，制热能力1.3×104kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量。是指标错误还是能量不守恒？

解析：都不是。空调制冷、制热靠压缩机做功，从室内（室外）吸收热量放到室外(室内)。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。

友情提示：本题注重考查对热力学第一定律，热力学第二定律的理解。

课后问题与练习点击

1.解：汽油燃烧时释放的化学能有的由于漏气而散失；有的使汽车的机体温度上升，然后又通过机体散失了；转化为机械能的那部分还要用于克服机械摩擦转化为内能。

2.解答：A、B不能发生；C、D能发生。C不违背热力学第二定律，D违背热力学第二定律。

3.解：他还要知道水的比热c，水的密度ρ，煤气的燃烧值q,煤气的密度ρ’，c表示比热，单位是J/kg·℃；ρ表示水的密度，单位是kg/m3；V表示水的体积，单位是m3；Δt表示温度的变化，单位是℃；q表示煤气的燃烧值，单位是J/kg；煤气的密度ρ/ ,单位是kg /m3；烧水前后煤气的体积V1、V2

烧水的效率

基础训练

1.下列关于能量转化的说法中，正确的是 （ ）

A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能

B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能

C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能

D.机械能可以转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化

2.关于第二类永动机，下列说法正确的是 （ ）

A.它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律

B.它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律

C.它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律

D.它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律

3.下列关于热机的说法中，正确的是（ ）

A.热机是把内能转化成机械能的装置

B热机是把机械能转化为内能的装置.

C.只要对内燃机不断进行革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能

D.即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能

4.下列说法中正确的是（ ）

A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性

B.一切不违背能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的

C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行

D.一切物理过程都不可能自发地进行

5.第二类永动机不可能制造出来的原因是因其工作原理违背（ ）

A.热力学第一定律

B.能的转化与守恒定律

C.热力学第二定律

D.上述三个定律

6.热量会自发地从 物体传到 物体，而不能自发地从 物体传到 物体，这就是热传导的 性。

7.设想有这样一种热机，它没有冷凝器，只有第一热源，它从第一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它变化，设想中的这种热机叫 ，它 制成（填“能”或“不能”）

多维链接

1.自然界中，所有的宏观自发过程都具有单向性

在整个自然界中，无论有生命的或无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程。如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，房屋衰朽倒塌，人的一生从婴儿到老年到死亡等等。

2.电冰箱与空调是让“热”由低温环境传递到高温环境。这是不是自发进行的？说明理由。

提示：不是自发进行的。这一过程是通过电流做功来实现的。因此“热”不能自发地从低温物体传给高温物体，而不引起其他变化。

3.课本P73“思考与讨论”

提示：这是因为宏观自然过程都具有一定的方向性，所以第二类永动机虽然不违背能量守恒定律，但它不会自然而然地发生，是不可能制成的。

第5节 热力学第二定律的微观解释

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1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。

2.了解热力学第二定律的微观意义。

3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。

4.知道随着条件的变化，熵是变化的。

诱思导学

1.有序和无序

有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。

无序：不符合某种确定规则的称为无序。

无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。

有序和无序是相对的。

2.宏观态和微观态

宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。

微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。

系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。

3.热力学第二定律的微观意义

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。

4.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。

一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。

在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。

从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。

典例探究

例1 一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？

解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。

友情提示：本题考查的是对熵增加原理的理解和应用。

课后问题与练习点击：

1.解析：①全是甜的，对应的微观态1个，宏观态出现的概率是1/32；②全是咸的，对应的微观态1个，宏观态出现的概率是1/32；③1甜4咸，对应的微观态5个，宏观态出现的概率是5/32；④4甜1咸，对应的微观态5个，宏观态出现的概率是5/32；⑤2甜3咸，对应的微观态10个，宏观态出现的概率是10/32；⑥3甜2咸，对应的微观态10个，宏观态出现的概率是10/32；

2.解析：(1)概率

(2)概率

(3)概率

(4)无序性增大了

3.略

基础训练

1.一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化？

2.保持体积不变，将一个系统冷却，熵怎样变化？

多维链接

1.熵与熵增加原理

“熵”是什么？“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。简单的说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。

在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的。比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。

克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大”。

2.宇宙热寂说

克劳修斯把他的熵增加原理应用到无限的宇宙中去，得出了“宇宙热寂说”。

“宇宙热寂说”主要有以下几个结论：第一，宇宙的离散度不断增加。第二，所有的机械运动都转化为热运动。第三，热量停止传递。最后我们可以设想出这么一个宇宙的图景：宇宙的有效生命将停止。能量还保存着，但已失去一切活动的能力，它无力再使宇宙运动，正如一潭死水不能使水车转动起来一样，我们将处在一个死寂的、热的宇宙中。

但宇宙真会热寂吗？首先，热力学试验成果是以有限的、孤立封闭的系统为研究对象的。以有限的范围、有限的事件得出的规律能否推广到全宇宙呢？其次，自然界的规律是否同样适用于高级的生命运动呢？第三，黑洞理论指出，宇宙的离散度并非不断增加。宇宙中存在的黑洞在不断地吸引物质。所以说，克劳修斯的“宇宙热寂说”仅仅是一种形而上学的自然观，我们不必杞人忧天地担心宇宙会进入“热寂”。

3.大爆炸理论

大爆炸宇宙理论认为，宇宙的演化是从物质分布为均匀的状态演化到非均匀状态。宇宙膨胀是引力理论的一个结果，在宇宙范围内，引力是主导的，引力系统的热力学与无引力的热力学会导致十分不同的结论。比如，原来密度均匀的物质由于涨落可产生密度差，在引力占主导的条件下，高密度区域会吸引更多的物质而使密度变得更高，更多的物质会逃离低密度区而使密度变得更低。各种星体就是通过这种非均匀化过程聚集而成的。经典热力学的结论是不考虑引力，在静态空间下证明的，不适用于引力占主导地位的膨胀宇宙。

应该指出，在一个非孤立的、有能量输入的系统中，熵是完全可以减小的。比如地球就是这样一个系统，它源源不断地吸收太阳能，而最终进化出了一个和谐有序的生物世界。

4.课本P75“思考与讨论”

提示：“左右各有2个分子”的微观态有6个；“左室有1个分子右室有3个分子”的微观态有4个。