物理人教版（2019）选择性必修第三册3.4《热力学第二定律》（共32张ppt）

(共31张PPT)
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
既然能量的总量是不变的，为什么还有能量危机？还要提倡节约能源呢？曾经有这样
的一个设想来试图解决我们的能源危机。
地球上有大量的海水，它的总质量约为 1.4×1023kg，只要这些海水的温度降低 0.1°C，就能放出 5.8×1023J的热量，相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。你认为可以实现吗？为什么？
（秦山核电站装机容量为30万千瓦、大亚湾核电站装机容量为百万千瓦）
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.
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．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
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
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
有序到无序
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.德国物理科学家克劳修斯在1850年提出：
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？
能量转化是否也具有方向性？
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：
气缸内盛有一定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁接触光滑，不漏气。缸内气体做等温膨胀。此系统是否违背热力学第二定律？
第一表述：按热传递的方向性来表述
第二表述：是按机械能与内能转化过程的方向来表述。
两种表述的实质
它们的实质是相同的，都涉及的是一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，具有一定的方向性。
F
F
自由膨胀不可逆
为什么自由膨胀不可逆呢？
热力学第二定律---微观解释
假设开始时，只有4个分子在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散。4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：
宏观分布
详细分布
1
4
6
4
1
(微观态)
(宏观态)
微观态共有24=16种可能的方式，而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16。
一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，
而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N 1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为1/21023。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件
对单个分子或少量分子来说，它们
扩散到B部的过程原则上是可逆的。
对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。
有序
无序
有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：不符合某种确定规则的称为无序。
有序和无序
1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可以表达一个系统的无序程度，系统有序向无序发展的过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫做孤立系统。在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个系统的熵值总是不减小的，这就是熵增加原理。
从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。
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
机械能、光能、化学能、电能等，我们很容易利用称为高品质能量。内能是低品质能量，利用比较困难，且能量都是自发的向低品质方向进行的。所以能源：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。但是它们的存量不多，所以要节约资源。
例1（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
课堂练习
BD
2.(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法正确的有( )
A.热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B.热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体
C.机械功可以全部转化为热量，但热量不可能全部转化为机械功
D.机械功可以全部转化为热量，热量也可能全部转化为机械功
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
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
4.微观表达 熵增加原理