人教版（2019）选择性必修第三册 3.4 热力学第二定律 课件(共24张PPT)

(共24张PPT)
高中物理选择性必修第三册 第三章 热力学定律
热力学定律
3.4 热力学第二定律
高中物理选择性必修第三册 第三章 热力学定律
热力学定律
思考：
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？
高中物理选择性必修第三册 第三章 热力学定律
热力学定律
回顾旧知：
1、热力学第一定律
2、能量守恒定律
思考与讨论：
根据能量守恒定律，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的。那么符合能量守恒的宏观过程是否都能发生呢？
将一块烧红的铁块投入水中，会出现什么现象？
铁块温度降低，水的温度升高。
还是
铁块温度更高，水的温度更低。
高中物理选择性必修第三册 第三章 热力学定律
2.热力学第二定律的克劳修斯表述：
热量不能自发地从低温物体传到高温物体.阐述的是传热的方向性.（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是将热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化）
一、热力学第二定律
1.定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律.
1850年，德国物理学家克劳修斯(R.Clausius，1822-1888)将热力学第二定律表述为：
说明：
（1）克劳修斯表述中强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。”
（2）如果允许“其它变化”，例如利用致冷机做功，热量可以从低温物体传到高温物体上，而致冷机做功就属于“其它变化”。
（3）如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何
外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热
源。按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，它
无需消耗功就能致冷。克劳修斯表述否定了这种可能性。
一、热力学第二定律
一个在水平地面上运动的物体，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。
我们能不能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来．
一、热力学第二定律
结论：机械能和内能转化具有方向性。
一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律（second law of thermodynamics).
一、热力学第二定律
热机是一种把内能转化为机械能的装置
气缸中的气体得到燃料燃烧时产生的热量Q1
推动活塞做功W
排出废气，同时把热量Q2散发到大气中。
Q1=W+Q2
热机效率η=W/Q1
一、热力学第二定律
3.热力学第二定律的开尔文表述：
(1)热机
①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能.
②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(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.(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性).
4.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的.
一、热力学第二定律
一、热力学第二定律
5、热力学第二定律的其他描述：
（1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
（2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
（1）适用于宏观过程对微观过程不适用。
（2）孤立系统有限范围。
6、热力学第二定律的适用范围：
7、热力学第二定律与热力学第一定律的关系：
热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响.所以二者相互独立，又相互补充.
　 　 热力学第一定律 热力学第二定律
区别
联系 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。
两定律都是热力学基本定律，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，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础。
一、热力学第二定律
热源
吸热
Q
1
热机
做功
第二类永动机
冷凝器
第二类永动机:
只从单一热源吸收热量，使之全部变为功，而不向低温热源放出热量，或者说不引起其它变化。
二、第二类永动机
（1）开尔文表述否定了第二类永动机的可能性。第二类永动机效率η=100%。虽然它不违背热力学第一定律，但它违背了热力学第二定律的开尔文表述。
（2）开尔文表述中强调了“在不产生其他影响的条件下，‘热’不能全部变为‘功’。”如果允许“其他影响”发生，热可以全部变为功。例如气缸中理想气体作等温膨胀时，气体从恒温热源吸收的热量就可以全部用来对外做功。但气体“体积和压强”发生了变化，它不能循环动作返回原状态。
思考：1、第二类永动机为什么不能制成？
二、第二类永动机
思考：2、热力学第二定律的两种表述之间的关系？
开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的。可用反证法证明。
违背开尔文表述一定违背克劳修斯表述
Q1──热机从T1吸热
A ──热机输出功
Q2──热机从T2吸热Q1+Q2──致冷机向T1放热
如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同另一个制冷机组成复合机，如图所示，其总效果相当于一个无功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立。
二、第二类永动机
违背克劳修斯表述一定违背开尔文表述
T2──低温热源
Q2──热量通过假想装置自动地从T2传向T1
Q1──卡诺热机从T1吸热
A ──卡诺热机对外作功
开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的。可用反证法证明。
如果克劳修斯表述不成立，则可制成一个无功致冷机，将它同另一个热机组成复合机，如图所示，就可使复合机成为一单热源热机，即开尔文表述也不成立。
二、第二类永动机
问题1：流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用.可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？
　内能.
问题2：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？
　能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量.
三、能源是有限的
虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
1、自然界的很多过程是不可逆的。
例如，一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空。抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。
2、不可逆的现象可以从微观角度来解释。
设想开始时有4个气体分子分布在A中。如果没有隔板，对于这4个分子中的每一个都有两种可能性，即它处在A中，或处在B中。4个分子共有24＝16种可能的分布，如下右图所示。
四、拓展学习：熵与熵增加原理
这16种分布中的每一种是一种微观态。在自由膨胀前，只有一个微观态，即4个分子都在A中。自由膨胀后，16个微观态都可能实现。自由膨胀前的宏观态只包含第一个微观态，自由膨胀后的宏观态包含16个微观态。假定实现每一微观态的概率是相等的，则自由膨胀后回复到自由膨胀前状态的概率为1/16。
一般地说，如果A中气体数量为N个，则自由膨胀后的气体要回复到自由膨胀前的概率为 。实际上，气体内的分子数很大，因此自由膨胀的气体要自发地回复到膨胀前的状态实际上是不可能的。
四、拓展学习：熵与熵增加原理
四、拓展学习：熵与熵增加原理
3、有序和无序
相对于膨胀后的状态，物理学中把气体膨胀前的状态叫作有序状态，而气体自由膨胀后的状态变得更混乱与无序，是无序状态。
一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。
4、熵：1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。
5、熵增加原理：在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。
从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，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。熵的概念现在已经应用于信息学、天体物理学、生命科学、社会学等领域，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义。
1、下列过程中可能发生的是
A.某种物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有
产生其他任何影响
B.打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复原状
C.利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高
D.将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开
√
课堂练习
2、(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是
A.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
B.没有冷凝器，只有单一的热库，能将从单一热库吸收的热量全部用来
做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的
C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他
变化
D.不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化
√
√
课堂练习
3、(多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，正确的是
A.一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收120 J 热量，则它的内能增加20 J
B.物体从外界吸收热量，其内能一定增加，物体对外界做功，其内能
一定减少
C.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律
D.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能
从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
√
√
课堂练习
4、全球受“新冠”疫情的影响，能源市场需求减少，国际原油价格一路走低.下列关于能量和能源说法正确的是
A.由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
B.在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少
C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
解析　根据能量守恒定律可知，能量不会被创造，也不会凭空消失，B正确，D错误；
由于能量传递具有方向性，能量耗散导致能量品质降低，所以必须节约能源，A、C错误.
√
课堂练习