3.4 热力学第二定律 （共31张ppt）

(共31张PPT)
一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水
问题导入
一、热力学第二定律
大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性
覆水难收
水往低处流
思考
会不会有这样的现象：均匀混合的空气与溴气过一段时间会自发地变的界线分明 ？
气体扩散具有方向性
一辆汽车在水平地面上滑行，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高.
2022-05-04
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降温
我们能不能看到这样的现象：一辆汽车靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使汽车运动起来．
有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其它变化．
机械能和内能的转化过程具有方向性
机械能 内能
机械能 内能
自发
全部
自发
全部
×
能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或能量消失的过程是不可能出现的。
思考：满足能量守恒定律的过程是否都能实现呢
无数事实告诉我们，凡是实际的过程，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
物体间的传热
气体的膨胀
扩散现象
有摩擦的机械运动
热现象
特定的方向
温度由高到低
体积由小到大
密度由密到疏
由机械能到内能
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
克劳修斯
1.热力学第二定律的克劳修斯表述：
热量不能自发从低温物体传到高温物体。
①物体间传热过程的方向性
高温
低温
自发
②自发性：
不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。
外界做功
外界环境发生变化
思考与讨论
电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢
低温
冰箱内的食品
高温
冰箱外的空气
自发
外界做功
向压缩机供电
停止供电
柴油机
汽缸
燃料的化学能
工作物质的内能
机械能
对外做功
燃烧
燃料产生的热量Q
输出机械功W
漏气热损
散热热损
摩擦热损
W< Q
思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W？
高温热库
低温热库
Q
W
燃料在燃烧(高温物体)
冷凝器或大气(低温物体)
自发
热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即
W< Q
2. 热力学第二定律的开尔文表述：
不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
①热机的效率无法达到100%，总会有损耗。
机械能
内能（热）
全部转化（自发）
对第三者有影响
②机械能与内能转化的方向性：
注意：在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性.在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等.
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等.
(3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统.若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功.据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电.
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除.
思考与讨论
在水平地面上滚动的足球，摩擦力做负功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时产生的热量散失在周围的环境中。会不会有这样的现象∶静止在水平地面上的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来
机械能与内能转化的具有方向性
不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
②对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？
①两种表述是等价的：可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。
例1. 下列说法正确的是( )
A. 热量不能由低温物体传递到高温物体
B. 外界对物体做功，物体的内能必定增加
C. 热机的效率可以达到100%
D. 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响
D
课堂练习
例2（多选）. 电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了( )
A. 热量能自发地从低温物体传给高温物体
B. 在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体
C. 热量的传递过程不具有方向性
D. 在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
BD
例3（多选）. 如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体 外。下列说法正确的是( )
A. 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B. 电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱
内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C. 电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律
D. 电冰箱的工作原理违背热力学第一定律
BC
例4. 关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是( )
A. 热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的
B. 内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾
C. 两条定律都是有关能量转化的规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别
D. 能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律
B
三、热力学第一定律和热力学第二定律的比较
1.两定律的比较
热力学第一定律 热力学第二定律
区别 是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机
联系 两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
2.两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
设计要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)
不可能制成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
二、能源是有限的
自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。
柴薪时期
煤炭时期
石油时期
能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。
化学能→电能
电能→内能和光能
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
→耗散在环境中
高品质：机械能、光能、化学能、电能
低品质：内能
转化方向不可逆
能源：
其实是指具有高品质的容易利用的储能物质
例如石油、天然气、煤等。
所以要节约资源
拓展学习
熵与熵增加原理
一、热力学第二定律
1. 反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
2. 克劳修斯表述：热量不能自发从低温物体传到高温物体。
①物体间传热过程的方向性
②自发性
3. 开尔文表述：
不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
①热机的效率无法达到100%，总会有损耗。
②机械能与内能转化的方向性
二、能源是有限的
课堂小结