熱力學(xué)第二定律課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性2

§3.4熱力學(xué)第二定律

一滴紅色顏料滴進(jìn)一杯清水中擴(kuò)散，整杯水將均勻地變紅。從系統(tǒng)的角度來(lái)看，擴(kuò)散之前是一種狀態(tài)，擴(kuò)散后是另一種狀態(tài)。那么，水中擴(kuò)散后的顏料能否自發(fā)地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？觀察與思考：思考與討論：

能量守恒定律告訴我們，在自然界發(fā)生的一切過(guò)程中能量都是守恒的，一個(gè)導(dǎo)致能量創(chuàng)生或能量消失的過(guò)程是不可能出現(xiàn)的。1.符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能自發(fā)地進(jìn)行嗎？2.你是否可以舉例證明你的觀點(diǎn)？思考與討論：融化的冰糕，是否可以在同溫下是否可以重新凝固？撒了氣的氣球，是否可以自發(fā)的把散掉的氣體重新收集起來(lái)？共同特征：

無(wú)數(shù)事實(shí)告訴我們，凡是實(shí)際的過(guò)程，只要涉及熱現(xiàn)象，都有特定的方向性。這些過(guò)程可以自發(fā)地朝某個(gè)方向進(jìn)行，而相反的過(guò)程，即使不違背能量守恒定律，我們也從未見(jiàn)到它們會(huì)自發(fā)地進(jìn)行。這就是說(shuō)，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的。1.宏觀自然過(guò)程的方向性(1)傳熱具有方向性

兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí),熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,而低溫物體不可能自發(fā)地將熱量傳給高溫物體,要實(shí)現(xiàn)低溫物體向高溫物體傳遞熱量,必須借助外界的幫助,因而產(chǎn)生其他影響。(2)氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象具有方向性

兩種不同的氣體可以自發(fā)地進(jìn)入對(duì)方,最后成為均勻的混合氣體,但這種均勻的混合氣體,決不會(huì)自發(fā)地分開(kāi),成為兩種不同的氣體。(3)機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性

物體在地面上運(yùn)動(dòng),因摩擦而逐漸停止下來(lái),但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來(lái)傳遞出去的熱量后,在地面上重新運(yùn)動(dòng)起來(lái)。(4)氣體向真空膨脹具有方向性

氣體可自發(fā)地向真空容器內(nèi)膨脹,但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出,使容器內(nèi)變?yōu)檎婵?。在物理學(xué)中，反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。2．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。一、熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律中，“自發(fā)的”的含義。探究：

當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí),不需要任何第三者的介入,不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生任何影響,熱量就能從高溫物體傳到低溫物體?！白园l(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體。

電冰箱通電后箱內(nèi)溫度低于箱外溫度，并且還會(huì)繼續(xù)降溫，直至達(dá)到設(shè)定的溫度。顯然這是熱量從低溫物體傳遞到了高溫物體。這一現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律呢？思考與討論：一、熱力學(xué)第二定律第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能；第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外做功，把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能。熱機(jī)工作的兩個(gè)階段：

3．熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述：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。一、熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律中，“不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量”、“不產(chǎn)生其他影響”的含義。探究：

開(kāi)爾文表述中“不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量”的含義:不僅要從一個(gè)熱庫(kù)吸熱,而且一定會(huì)向另一個(gè)熱庫(kù)放熱。即熱機(jī)工作時(shí)須有高溫?zé)釒?kù)和低溫?zé)釒?kù)。

開(kāi)爾文表述中“不產(chǎn)生其他影響”的含義:是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對(duì)周?chē)h(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響,如吸熱、放熱、做功等。一、熱力學(xué)第二定律4．熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的。如果克勞修斯表達(dá)不成立，則開(kāi)爾文表述也不成立。5．第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)一、熱力學(xué)第二定律只從單一熱庫(kù)吸收熱量,使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。（2）第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成（1）第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)

這類(lèi)機(jī)器雖然不違背能量守恒定律,但因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程是有方向性的,熱機(jī)在工作過(guò)程中必然排出部分熱量,即使沒(méi)有任何漏氣、摩擦、不必要機(jī)體熱量損失,熱機(jī)排出氣體的溫度總比周?chē)諝獾臏囟雀?它會(huì)向空氣散熱,也總有W<Q,所以熱機(jī)的效率總達(dá)不到100%,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率一般在20%~30%,燃?xì)廨啓C(jī)的效率較高,可達(dá)60%左右。（3）熱力學(xué)第二定律還可表述為第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成。一、熱力學(xué)第二定律6．與熱力學(xué)第一定律的比較：項(xiàng)目熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律定律揭示的問(wèn)題從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者間的定量關(guān)系指出自然界中出現(xiàn)的宏觀過(guò)程是有方向性的機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當(dāng)摩擦力做功時(shí),機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能熱量的傳遞熱量可以從高溫物體自發(fā)地傳到低溫物體熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體表述形式只有一種表述形式有多種表述形式項(xiàng)目熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律聯(lián)系兩定律都是熱力學(xué)基本定律,分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程所遵循的規(guī)律,二者相互獨(dú)立,又相互補(bǔ)充,都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)思考與討論：

在水平地面上滾動(dòng)的足球，摩擦力做負(fù)功，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終停了下來(lái)，同時(shí)產(chǎn)生的熱量散失在周?chē)沫h(huán)境中。會(huì)不會(huì)有這樣的現(xiàn)象∶靜止在水平地面上的足球和地面、周?chē)目諝庾园l(fā)地降低溫度釋放內(nèi)能，并將釋放出的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為足球的動(dòng)能，讓足球又滾動(dòng)起來(lái)?二、能源是有限的能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性。在各種各樣的活動(dòng)中，機(jī)械能、電能、光能、聲能、化學(xué)能、核能、生物能……最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，流散到周?chē)沫h(huán)境中。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也只不過(guò)能使地球、大氣稍稍變暖一點(diǎn)，卻再也不能自動(dòng)聚集起來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程叫作“能量耗散”。能源的使用過(guò)程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)下降了。雖然能量總量不會(huì)減少，但能源會(huì)逐步減少，因此能源是有限的資源。三、熵與熵增加原理自然界的很多過(guò)程是不可逆的

例如，一個(gè)容器被隔板均分為A、B兩部分，一定量的氣體處于容器A中，而B(niǎo)為真空。抽取隔板K，A中的氣體就會(huì)擴(kuò)散到B中，最后整個(gè)容器的A、B兩部分都均勻地分布了這種氣體。這個(gè)過(guò)程顯然是不可逆的。1850年，克勞修斯首次提出熵的概念，熵可用來(lái)表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度，系統(tǒng)從有序向無(wú)序的發(fā)展過(guò)程中熵在增加。在物理學(xué)中，不與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)叫作孤立系統(tǒng)。在自發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無(wú)序方向發(fā)展，即一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的，這就是熵增加原理?！纠?】

如圖所示的汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體,汽缸壁是導(dǎo)熱的,缸外環(huán)境保持恒溫,活塞與汽缸壁的接觸是光滑的,但不漏氣。現(xiàn)將活塞桿與外界連接,在外界的幫助下使其緩慢地向右移動(dòng),這樣氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)外做功。若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān),則下列說(shuō)法正確的是(

)A.氣體從單一熱庫(kù)吸熱,全用來(lái)對(duì)外做功,因此此過(guò)程違反熱力學(xué)第二定律B.氣體從單一熱庫(kù)吸熱,但并未全用來(lái)對(duì)外做功,所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律C.氣體從單一熱庫(kù)吸熱,全用來(lái)對(duì)外做功,但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律D.A、B、C三種說(shuō)法都不對(duì)C對(duì)點(diǎn)演練1.下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說(shuō)法正確的是(

)A.隨著科技的進(jìn)步,所有符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能真的發(fā)生B.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是可逆的C.機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能且不產(chǎn)生其他影響D.氣體向真空的自由膨脹是可逆的C【例2】

(多選)關(guān)于第二類(lèi)永動(dòng)機(jī),下列說(shuō)法正確的是(

)A.沒(méi)有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源吸收的熱量全部用來(lái)做功,而不引起其他變化的熱機(jī)是第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)B.第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律,所以不可能制成C.第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成,說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D.第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成,說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,同時(shí)不引起其他變化AD對(duì)點(diǎn)演練2.(2023河北承德高二期末)關(guān)于兩類(lèi)永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)的兩個(gè)定律,下列說(shuō)法正確的是(

)A.科技的進(jìn)步可以使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱源的熱機(jī)B.第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制造成功的原因是違背了能量守恒定律C.做功不一定改變物體的內(nèi)能,熱傳遞也不一定改變物體的內(nèi)能,但同時(shí)做功和熱傳遞一定會(huì)改變物體的內(nèi)能D.利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機(jī),將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是可能的【例3】

(多選)下列關(guān)于能量耗散的說(shuō)法,正確的是(

)A.能量耗散使能的總量減少,違背了能量守恒定律B.能量耗散是指散失