熱力學(xué)第二定律 高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

3.4熱力學(xué)第二定律學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道傳熱、擴(kuò)散現(xiàn)象、機(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性，了解能量耗散和品質(zhì)降低的內(nèi)容，能解釋相關(guān)現(xiàn)象。2.[科學(xué)思維]理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，學(xué)會(huì)用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題，提高分析推理能力。3.[科學(xué)探究]通過對(duì)熱機(jī)效率的探討，揭示熱機(jī)效率不能達(dá)到100%的實(shí)質(zhì)，學(xué)會(huì)與他人交流合作，提高探索科學(xué)的能力。4.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]學(xué)會(huì)科學(xué)家探索問題的方法，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。

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?問題導(dǎo)入熱機(jī)：是一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。(汽油機(jī)、柴油機(jī)、蒸汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等）一、機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性柴油機(jī)四沖程①吸氣沖程②壓縮沖程③做功沖程④排氣沖程機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性熱機(jī)工作原理和過程：一階段：

二階段：推動(dòng)活塞對(duì)外做功W—（工作物質(zhì)內(nèi)能變成機(jī)械能）。

機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性燃料產(chǎn)生的熱量Q輸出機(jī)械功W漏氣熱損散熱熱損摩擦熱損熱機(jī)能流圖熱機(jī)工作時(shí)的能流分配熱機(jī)的效率小于100%，就不可能把從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為機(jī)械能，總有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。熱轉(zhuǎn)換為功的過程也是不可逆的，具有方向性。

對(duì)外做功機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性熱機(jī)高溫?zé)釒?kù)W低溫?zé)釒?kù)1．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。二、熱力學(xué)第二定律（RudolfJuliusEmanuelClausius，1822年1月2日－1888年8月24日）（1）在不引起其它的變化的條件下，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。（2）熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，但會(huì)引起其它變化，比如冷機(jī)做功。說明：開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。

開爾文表述揭示機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化方向性機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

熱力學(xué)第二定律的另一種表述例如，利用熱機(jī)循環(huán)，吸熱可對(duì)外作出功來。但實(shí)際熱機(jī)的循環(huán)除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?，即產(chǎn)生了其它效果。

熱全部變?yōu)楣Φ倪^程也是有的，如，理想氣體等溫膨脹。但在這一過程中除了氣體從單一熱源吸熱完全變?yōu)楣ν猓€引起了其它變化，即過程結(jié)束時(shí)，氣體的體積增大了。開爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸取熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。如何理解單一熱庫(kù)？單一熱庫(kù)指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)。若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構(gòu)成機(jī)器的工作物質(zhì)可以在

不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對(duì)外做功。據(jù)報(bào)道，有些國(guó)家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。熱力學(xué)第二定律的另一種表述開爾文表述：不可從能單一熱庫(kù)吸取熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。如何理解其他影響？指除了從單一熱庫(kù)吸收的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響

或除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到相同的熱量外，其他一切影響和變化。不是不能從單一熱庫(kù)吸收熱量而對(duì)外做功，而是這樣做的結(jié)果，一定伴隨著其他變化或影響。同樣，也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產(chǎn)生其他影響的自動(dòng)熱傳遞是不可能的。熱力學(xué)第二定律的另一種表述開爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸取熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。適用條件：只能適用于由很大數(shù)目分子構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過

程，而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴(kuò)展到無限的宇宙。

熱力學(xué)第二定律的另一種表述開爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸取熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。如何理解“不可能”？實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱庫(kù)吸收熱量對(duì)外做功，

以及熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)以外，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，不

論用任何曲折復(fù)雜的辦法都不可能加以消除。熱力學(xué)第二定律的另一種表述熱力學(xué)第二定律的兩種表述之間有什么樣的關(guān)系？克勞修斯表述：不可能將熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化（即熱量不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體）。開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量并使它完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓崃W(xué)第二定律的反思熱力學(xué)第二定律的兩種表述之間有什么樣的關(guān)系？①兩種表述是等價(jià)的可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述，兩種表述都稱為熱力學(xué)第二定律。

②對(duì)任何一類宏觀過程進(jìn)行方向的說明，都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述。例如：氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。熱力學(xué)第二定律的反思熱力學(xué)第二定律的意義？提示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，是獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律的一個(gè)重要自然規(guī)律。

不管如何表述，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于揭示了：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的。

熱力學(xué)第二定律的意義三、能源是有限的

自然界的一切變化，人類社會(huì)的所有活動(dòng)，都伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化，能量是一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的源泉，是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。柴薪時(shí)期煤炭時(shí)期石油時(shí)期

能量被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散?；瘜W(xué)能→電能電能→內(nèi)能和光能能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性?！纳⒃诃h(huán)境中高品質(zhì)：機(jī)械能、光能、化學(xué)能、電能低品質(zhì)：內(nèi)能轉(zhuǎn)化方向不可逆能源：

其實(shí)是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì)例如石油、天然氣、煤等。所以要節(jié)約資源課堂練習(xí)例1：下列說法正確的是（）A.熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體B.外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能必定增加C.熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%D.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D課堂練習(xí)例2：電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，這說明了（）A.熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B.在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C.熱量的傳遞過程不具有方向性D.在自發(fā)的條件下熱量的傳遞過程具有方向性BD課堂練習(xí)例3：如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時(shí)制冷劑液化，放出熱量到箱體

外。下列說法正確的是（

）A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外