熱力學(xué)第二定律課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性

熱力學(xué)第二定律高中物理一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的，即：具有方向性。紅墨水的擴(kuò)散氣體的自由膨脹熱水冷卻摩擦生熱一.宏觀自然過(guò)程的方向性思考：這些與熱現(xiàn)象有關(guān)的過(guò)程，其逆過(guò)程是否可以自發(fā)的進(jìn)行？高中物理二.熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述（傳熱的方向性）熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。兩個(gè)溫度不同的物體接觸時(shí)，自發(fā)的傳熱方向是從高溫物體指向低溫物體。當(dāng)有第三者介入時(shí)，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，但產(chǎn)生其他影響。制冷機(jī)原理（電冰箱）Q2

W

Q1壓縮機(jī)T2

T1高中物理開爾文表述又作：第二類永動(dòng)機(jī)（Q2=0）不可能制成。二.熱力學(xué)第二定律2.開爾文表述（機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性）不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。熱機(jī)原理（內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)）輸出機(jī)械功Q1Q1=Q2

W

=

W

100%熱機(jī)能流圖T2

T1高中物理T2

T1熱機(jī)熱機(jī)制冷機(jī)二.熱力學(xué)第二定律3.克勞修斯表述與開爾文表述是等價(jià)的（1）如果克勞修斯表述不成立，則開爾文表述也不成立圖(1)圖

(2)（2）如果開爾文表述不成立，則克勞修斯表述也不成立高中物理三.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1.從概率的角度認(rèn)識(shí)宏觀過(guò)程的方向性（以氣體自由膨脹為例）思考：某絕熱容器被隔板等分為左、右兩部分，一定量的氣體處于左側(cè)，分子數(shù)記為N

(為簡(jiǎn)單起見，分子數(shù)N取4)，右側(cè)為真空。抽取隔板后，左側(cè)的氣體會(huì)擴(kuò)散到右側(cè)，最終整個(gè)容器內(nèi)都均勻的分布了這種氣體。已知每個(gè)分子出現(xiàn)在左、右兩側(cè)的概率相等，分析各宏觀態(tài)下微觀態(tài)的個(gè)數(shù)。宏觀態(tài)左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4微觀態(tài)個(gè)數(shù)Ω高中物理宏觀態(tài)左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4微觀態(tài)個(gè)數(shù)Ω14641各處分子分布相同微觀態(tài)最多高中物理宏觀態(tài)左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4微觀態(tài)個(gè)數(shù)Ω14641三.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1.從概率的角度認(rèn)識(shí)宏觀過(guò)程的方向性（以氣體自由膨脹為例）各處分子分布相同，無(wú)序微觀態(tài)最多,概率最大結(jié)論：出現(xiàn)初始宏觀態(tài)“左4右0”的概率最小。——不可逆性宏觀態(tài)“左2右2”對(duì)應(yīng)的的概率最大?！⒂^態(tài)越多，越無(wú)序熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。高中物理不可逆過(guò)程系統(tǒng)狀態(tài)變化熱傳導(dǎo)溫度不均勻

→

溫度趨于均勻功熱轉(zhuǎn)化宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)

→

大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散物質(zhì)集中

→

物質(zhì)分散三.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋2.熵增加原理熵的定義

S

k

ln

，k為玻爾茲曼常數(shù)。理解：熵是宏觀態(tài)無(wú)序程度的量度。熵越高，宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)越多，越無(wú)序。用熵的概念表述熱力學(xué)第二定律（又稱熵增加原理）在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵不會(huì)減小。即

S

0 。理解：可逆過(guò)程，熵不變；自發(fā)的宏觀過(guò)程都是不可逆的，熵增加。高中物理四.能源和可持續(xù)發(fā)展1.能量耗散和品質(zhì)降低在人類利用能源的過(guò)程中，雖然能量總量不變，但隨著熵增加，機(jī)械能、化學(xué)能等集中度高（有序度高）的能量轉(zhuǎn)化為分散（無(wú)序度高）的內(nèi)能，發(fā)生能量耗散。從可利用價(jià)值來(lái)看，能量耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)降低，也叫能量降退。核能電能機(jī)械能內(nèi)能化學(xué)能電磁輻射能高中物理四.能源和可持續(xù)發(fā)展1.能量耗散和品質(zhì)降低在人類利用能源的過(guò)程中，雖然能量總量不變，但隨著熵增加，機(jī)械能、化學(xué)能等集中度高（有序度高）的能量轉(zhuǎn)化為分散（無(wú)序度高）的內(nèi)能，發(fā)生能量耗散。從可利用價(jià)值來(lái)看，能量耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)降低，也叫能量降退。2.節(jié)約能源與可持續(xù)發(fā)展節(jié)能與環(huán)保開發(fā)新能源：太陽(yáng)能，生物質(zhì)能，風(fēng)能，水能等高中物理例題.一個(gè)鐵球從高處落下，最后靜止于地面，試分析該過(guò)程中熵的變化。解答：鐵球下落過(guò)程中與空氣摩擦，落地后與地面多次碰撞，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，鐵球、空氣、地面組成的系統(tǒng)熵值增大。思考：怎么理解“內(nèi)能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化的方向性”？分析：機(jī)械運(yùn)動(dòng)是指物體空間位置的變化，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律，這是一種有序的運(yùn)動(dòng)。熱運(yùn)動(dòng)是大量分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)向熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，屬于從有序向無(wú)序的轉(zhuǎn)化，熵增加，符合熱力學(xué)第