五、有序、无序和熵1.知道在涉及热现象的宏观过程中的能量耗散与退化现象。2.初步了解熵增加原理的物理意义,知道在自然界的自发过程中,系统的无序程度总是不断地增加。3.能用热力学第二定律或熵增加原理解释身边一些简单的现象。4.了解热力学温度的规定及绝对零度不可能达到的结论。一二三四一、能量的耗散与退化在自然界的种种变化中,能量的总值虽然保持不变(守恒),但是能量可被利用的价值却越来越小,或者说能量的品质在逐步降级,这就是能量的耗散与退化。当我们开发利用地球上的能源时,并不会减少地球上的能量,而是将能源中高度有用的能量形式降低为不大可用的能量形式。使用电炉时,电能转化为内能,这个系统能否依靠自身的作用(自发地)回到原来的状态?提示:不能,除非系统靠外界的帮助。而“外界的帮助”将更多地消耗其他形式的能,产生出更多的内能。一二三四二、绝对零度不可达到1.绝对零度宇宙中存在着温度的下限:-273.15,即绝对零度。2.热力学温度热力学温度用T表示,单位是开尔文,符号是K,热力学温度T与摄氏温度t之间的换算关系是T=t+273.15K。3.热力学第三定律对大量事实的研究分析表明,不可能通过有限的过程把物体冷却到绝对零度。一二三四三、熵增加原理任何孤立系统,它的总熵永远不会减小;或者说,自然界的一切自发过程,总是朝着熵增加的方向进行的。一二四三四、有序向无序的转化1.熵熵是表征系统的无序程度的物理量,熵越大,系统的无序程度越高。2.有序和无序系统自发的过程总是从有序变为无序的;从微观的角度说,热传递过程也是从比较有序的状态变成比较无序的状态。一二一、熵与熵增加原理的理解“熵”是什么?“熵”是德国物理学家克劳修斯创造的一个术语,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。简单地说,“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。一二在克劳修斯看来,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相等,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”。一二二、热力学温度的认识热力学温度单位是开尔文,简称开,符号是K。开尔文是为了纪念英国物理学家LordKelvin而命名的。规定热力学温度的单位开(K)与摄氏温度的单位摄氏度()完全相同。1K=1。在表示温度差或温度间隔时,用K和用的数值相同。特别提醒特别提醒摄氏温度的1的分格与热力学温度的1K的分格是等价的,摄氏温度升高10与热力学温度升高10K是一回事,但不能说升高了283K。类型一类型二类型三【例题1】根据你对熵增加原理的理解,举出一些系统从有序变为无序的例子。点拨:根据熵增加原理,自然界的一切自发的过程总是朝着熵增加的方向进行,而熵是描述系统无序程度的物理量。熵越大,无序程度越高,所以,熵的增加就意味着系统无序程度的增加,即从有序向无序的方向转化。解析:例如:燃料的燃烧、气体的扩散、破镜不能复原、覆水难收、一切生命体从生到亡等都是从有序变为无序的例子。答案:见解析题后反思题后反思一切自发的不可逆的过程都是从有序到无序。类型一类型二类型三【例题2】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?点拨:本题考查的是对熵增加原理的理解和应用。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,所以系统的熵增加了。答案:见解析题后反思题后反思机械能转化为内能,电能转化为内能,一切能量最终的归宿都是内能,而这些内能不可再回收,因此使自然界的熵增加。类型一类型二类型三【例题3】关于热力学温度,下列说法正确的是()A.-33=240KB.温度变化1,也就是温度变化1KC.摄氏温度与热力学温度都可能取负值D.温度由t升至2t,对应的热力学温度升高了273K+t点拨:由T=273K+t,即可求解此类问题。解析:T=273K+t,由此可知:-33=240K,A正确,同时B正确;D中初态热力学温度为273K+t,末态为273K+2t,温度变化t,故D错误;对于摄氏温度可取负值的范围为-2730,因绝对零度达不到,故热力学温度不可能取负值,故C错误。答案:AB类型一类型二类型三题后反思题后反思熟练应用T=t+273K是解决有关摄氏温度与热力学温度换算的基础。就一个分度来说,1和1K相等,即T=t。对于同一个温度来说,用不同的温标表示,数值不同,这是因为零值选取不同。1 2 3 41下列表述正确的是()A.热量不能自发地从低温物体传到高温物体B.根据物质不灭原理,一切自然过程都应该是可逆的,可回转的C.热力学第一定律又叫作熵增加原理D.在任何自然过程中,一个孤立的系统的总熵不会减少答案:AD1 2 3 42下面关于熵的说法错误的是()A.熵是系统内分子运动无序性的量度B.在自然过程中熵总是增加的C.热力学第二定律也叫作熵减小原理D.熵值越大代表着越无序解析:如果过程是可逆的,则熵不变;如果不可逆,则熵是增加的,而且一切自然过程都是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。答案:C1 2 3 43关于热力学温标的正确说法是()A.热力学温标是一种更为科学的温标B.热力学温标的零度为-273.15,叫绝对零度C.气体温度趋近于绝对零度时其体积为零D.在绝对零度附近气体已液化,所以它的压强不会为零解析:热力学温标在科学计算中,特别体现在热力学方程中,使方程更简单,更科学,故A对;B是热力学温标的常识,正确;气体趋近于绝对零度时,已液化,但有体积,故其压强不为零,C错,D对。答案:ABD1 2 3 44热力学第二定律的开尔文表述指出:内能与机械能的转化具有方向性。请结合熵的变化加以解释。答案:机械运动是宏观情况下物体在空间位置上的变化,物体运动状态的变化完全遵循牛顿运动定律所反映的因果关系,这是一种有序的运动。热运动是大量分子的无规则运动,系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态,这是一种无序的运动。机械运动向热运动的转化,属于从有序向无序的转化,会导致熵的增加,符合热力学的规律,因此机械能可以全部转化为内能。反之,热运动向机械运动的转化,属于从无序向有序的转化,即从高熵向低熵转化,不符合熵增加原理,因此内能向机械能的转化不能全部实现。