3.4热力学第二定律 课件 (共25张PPT)

(共25张PPT)
§4 热力学第二定律
第三章 热力学定律
选择性必修 第三册
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？
新课引入
课堂引入
新课引入
课堂引入
想一想：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
融化的冰糕，是否可以在同温下是否可以重新凝固？
撒了气的气球，是否可以自发的把散掉的气体重新收集起来？
新课引入
课堂引入
新课引入
课堂引入
气体的膨胀有特定的方向性
物体间的热传递有特定的方向性
扩散有特定的方向性
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
由功到热
新课引入
课堂引入
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。
无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，我们也从未见到它们会自发地进行。这就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
新课引入
课堂引入
1．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。
（1）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）热量可以从低温物体传到高温物体上，但会引起其它变化，比如冷机做功。
（3）克劳修斯表述阐述的是热传递的方向性。
2.诠释：
（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日）
新课引入
一、热力学第二定律
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？
新课引入
一、热力学第二定律
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
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？
新课引入
一、热力学第二定律
漏气热损
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
新课引入
一、热力学第二定律
3．热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响。
（1）不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。
（2）机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。
（3）开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。
4.诠释：
开尔文
新课引入
一、热力学第二定律
5．热力学第二定律的两种表述是等价的。
如果克劳修斯表达不成立，则开尔文表述也不成立。
新课引入
一、热力学第二定律
6．与热力学第一定律的比较：
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，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
新课引入
一、热力学第二定律
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
新课引入
一、热力学第二定律
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。在各种各样的活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能……最终都转化成内能，流散到周围的环境中。
根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。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。
新课引入
二、能源是有限的
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。
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。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。
新课引入
三、熵与熵增加原理
1．下列过程中，可能实现的是（　　）
A．水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能
B．内燃机气缸内气体的内能全部转化为机械能
C．在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高
D．静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来
C
新课引入
课堂练习
【答案】C
【详解】AB．根据能量转化和转移的方向性可知，物体温度下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能，故AB错误；
C．在粗糙水平面上运动的物体，它的动能会转化为内能，使物体温度升高，故C正确；
D．静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能在没有特定的情况下会向周围释放，并不会使物体运动起来，故D错误。
故选C。
新课引入
课堂练习
2．根据热力学第二定律，下列说法中正确的是（　　）
A．不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不引起其他变化
B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源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而不引起其他变化
D．在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能
AD
新课引入
课堂练习
【答案】AD
【详解】A．热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，故A正确；
B．机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须有外界的帮助，故B错误；
C．冰箱向外传递热量时消耗了电能，故C错误；
D．火力发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能向机械能转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不会全部变为电能，故D正确。
故选AD。
新课引入
课堂练习
3．关于制冷机制冷过程的说法中，正确的是（　　）
A．此过程违反了热力学第二定律
B．此过程没有违反热力学第二定律
C．此过程违反了能量守恒定律
D．此过程没有违反能量守恒定律
BD
新课引入
课堂练习
【答案】BD
【详解】AB．制冷机可以从低温物体吸收热量传给高温物体，但必须消耗电能，热力学第二定律并不否认热量可从低温物体传给高温物体，只是该过程会产生其他影响，A错误，B正确；
CD．任何自然和物理过程都不违反能量守恒定律，C错误，D正确。
故选BD。
新课引入
课堂练习
4．对于热力学定律，下列说法中正确的是（ ）
A．第一类永动机不可能实现，因为它违背了能量守恒定律
B．热力学第一定律指出，一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和
C．热力学第二定律指出，不能从单一热库吸热全部用来对外做功而不产生其他影响
D．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律
ABC
新课引入
课堂练习
【答案】ABC
【详解】A．第一类永动机既不消耗能量又能源源不断地对外做功，违背了能量守恒定律，所以不可能制成，故A正确；
B．据热力学第一定律 U=W+Q可知，一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和，故B正确；
C．热力学第二定律指出不能从单一热库吸热全部用来对外做功而不产生其他影响，故C正确；
D．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，同时要消耗一定的电能，所以不违背热力学第二定律，故D错误。
故选ABC。
新课引入
课堂练习