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第四节 熵—系统无序程度的度量
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 热力学定律
高中物理鲁科版（2019）选择性必修第三册
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
1.了解熵的概念及熵增加原理,并能解释生活中的有关现象
2.会利用热力学第二定律和熵增加原理分析实际问题。
素养目标
新课导入
成语“覆水难收”指一盆水被泼出后不可能再回到盆中,请结合熵的变化解释为什么水不会自发地聚到盆中。
覆水难收
君不见黄河之水天上来
奔流到海不复回
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
一、有序与无序
与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
如何从微观的角度来理解与热现象有关的宏观过程的方向性？
热现象是大量分子无规则运动的结果。
通常，人们将生活中符合某种规则的现象称为有序，反之称为无序。
规则越少，一个宏观状态对应的微观状态就越多，出现的概率也越大，我们称之为越无序。
越有序
规则越多，一个宏观状态对应的微观状态越少，出现的概率越小，我们称之为越有序。
越无序
新课讲解
学校大会上，学生按班级、学号就座是有序的，学生随意就座是无序的。有序与无序是相对的。按班级就座相对于全校随意就座来说是有序的，但相对于既按班级又按学号顺序入座来说是无序的。
举个例子
新课讲解
在热传递过程中，两个温度不同的物体放在一起，热量会自动地由高温物体传到低温物体，直到二者温度相同为止。从微观角度看，高温与低温的区别，在于分子的平均动能不同。两物体接触后，内能从高温物体向低温物体传递，导致高温物体中的分子运动减慢、低温物体中的分子运动加快，直到两个物体达到相同的温度为止。此时，整个系统末态比初态更加无序。换句话说，热传递这个不可逆过程使无序程度增加了。
新课讲解
整洁有序的书本，如果不注意整理，就会变得杂乱无序。如何才能使它回到有序状态？
试想，如果分子的运动可自发地从无序变为有序，会有什么现象发生？这些现象会自然发生吗？为什么？请与同学讨论交流。
新课讲解
功转变为热是机械能转化为内能的过程。机械运动遵从牛顿运动定律，有明确的因果关系，是有序的运动；
而在热运动中，分子杂乱无章地向各个方向运动，包含着大量的微观状态，是无序的运动。
机械能转化为内能的过程即为从有序向无序变化的过程。在这个过程中，分子运动变得更加混乱，无序程度增加。
可见，与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。这就是热力学第二定律的微观本质。
新课讲解
二、熵和熵增加原理
1.熵的定义：物理学中用熵来量度系统的无序程度，用符号S表示。
2.熵是热力学中与温度、内能等同样重要的一个状态量，它只与热力学变化过程的初态和末态有关，与中间过程无关。
3.热力学系统的每一个状态，都对应有一个熵值。
熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高。熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就越有序。
新课讲解
与外界既没有物质交换又没有能量交换的系统称为孤立系统。孤立系统所发生的变化一定是自然发生的。
4.孤立系统
根据热力学第二定律的微观解释，自然过程总是沿着无序程度增大的方向进行，而熵是无序程度大小的量度。所以，在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增的方向进行。这就是熵增加原理。
5.熵增加原理
新课讲解
熵增加原理与能量守恒定律在物理学中具有同等重要的地位，二者都是对自然过程的一种限制，即在任何自然过程中，一切参与者的总能量必定保持不变，而总熵则必定增加。
思考
新课讲解
三、熵与能量退降
能量转化的过程常常伴有内能的产生。研究表明，即使是在最理想的热机中，内能也只是部分用来做功。只要有内能产生，热机做功的本领就会降低。
燃烧一块煤，虽然它的能量没有消失，但我们再也不能把这些能量全部收集起来，让它再一次做同样多的功了。
实际上，在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态，能量品质退化了，这种现象称为能量退降。
热力学第一定律告诉我们，自然界的能量在总量上是不变的；热力学第二定律却告诉我们，自然界的能量品质正在退化，可利用的能量越来越少。因此，人类必须节约能源，提高能源的利用效率，积极开发新能源。
新课讲解
(1)熵是反映系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵就越大。
(2)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加。
对熵的理解及对熵增加原理的理解
(3)对于孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行。或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小。这就是熵增加原理。
(4)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，熵值越大代表着越无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
新课讲解
成语“覆水难收”指一盆水被泼出后不可能再回到盆中,请结合熵的变化解释为什么水不会自发地聚到盆中。
由于盆的形状确定,水在盆中时,空间位置和所占据的空间的体积一定,显得“有序”“整齐”和“集中”,系统的熵低。当把水泼出后,它的形状不再受盆的限制,各种可能的形状都有,占据的空间面积和所处的位置都有多种可能,显得“混乱”“分散”,较为“无序”,系统的熵高。水泼出的过程属于从有序向无序的转化过程,导致熵的增加,符合熵增加原理。反之,水聚到盆中过程,属于从无序向有序转化,即从高熵向低熵转化,不符合熵增加原理,因此水不能自发地聚到盆中。
新课讲解
经典例题
Classic Example
经典例题
1.下列关于熵的说法错误的是
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的
D.熵值越大,代表系统分子运动越无序
√
解析：熵是分子运动无序程度的量度，熵越大，分子运动无序程度越大，A、D正确；孤立系统中发生的任何实际过程，其能量的总值保持不变，而其熵值增加，B错误，C正确。
经典例题
2.(多选)对于孤立体系中自然发生的实际过程，下列说法中正确的是 (　　)
A.系统的总熵只能增大，不可能减小
B.系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小
C.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展
D.系统逐渐从比较无序的状态向更有序的状态发展
解析：在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵是增加的，它不可能减小，故A正确，B错误；根据熵增加原理，系统总是自发地从比较有序的状态向更无序的状态发展，故C正确，D错误。
√
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
1.热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是( )
A.能量耗散说明能量不守恒
B.能量耗散不符合热力学第二定律
C.能量耗散过程中能量不守恒
D.能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中的宏观过程具有方向性
课堂练习
1.答案：D
解析：能量耗散是指能量在转化的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来加以利用，其满足能量守恒定律，也符合热力学第二定律。能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了。能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，所以A、B、C错误，D正确。
课堂练习
2.关于永动机，下列说法正确的是( )
A.随着科技的不断发展，永动机是可以制成的
B.第一类永动机违反了热力学第二定律
C.第二类永动机违反了热力学第二定律
D.永动机指的是在摩擦力趋于零的条件下一直运动的机器，它不需要对外做功
课堂练习
2.答案：C
解析：第一类永动机指不需要外界输入能量，能够不断向外输出能量的机器，它违反了能量守恒定律，是不可能制成的，B错误；第二类永动机指从单一热源吸收热量全部用来对外做功，不产生其他影响的机器，它违反了热力学第二定律，也是不可能制成的，C正确；无论是哪种永动机，要么违反能量守恒定律，要么违反热力学第二定律，因此都是不可能制成的，A错误；无论哪种永动机都需要对外做功，D错误.
课堂练习
3.对于孤立系统中发生的实际过程，下列说法正确的是( )
A.系统的总熵只能增加，不可能减少
B.系统的总熵可能增加，可能不变，还可能减少
C.系统逐渐从比较有序向更无序的状态发展
D.系统逐渐从比较无序向更有序的状态发展
AC
课堂小结
Class Summary
课堂小结
生活中符合某种规则的现象称为有序，反之称为无序。
热力学第二定律的微观本质：与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。
一、有序与无序
二、熵和熵增加原理
在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增的方向进行。
三、熵与能量退降
在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态，能量品质退化了
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