3.3 热力学第二定律 课件（27张PPT）

(共27张PPT)
第三章 热力学定律
粤教版 选择性必修三
第三节 热力学第二定律
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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？
在整个自然界中，无论是他有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程。
如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，人的一生从婴儿到老年到死亡等。
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
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。
符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？
Part 01
扩散的方向性
二氧化氮和空气
红墨水和水
只能自发地由密度大的区域向密度小的区域扩散。
两种不同的气体可以自发地混合，最后成为一种均匀的混合气体．
相反，一种均匀的混合气体却不会自发地分开成为两种气体．当然，使用物理或化学方法可以把混合气体分开，但这必然会产生其他影响
一、扩散的方向性：
如图所示是两个相同的容器，容器A中装有气体，容器B是真空，打开阀门K，容器A中的气体会自发向容器B扩散，最后两个容器都充满压强相等的气体，这个过程被称为自由膨胀。
外界做功
自由膨胀
自发
抽气机
Part 02
热传导的方向性
物体间的热传递有特定的方向性：
热量从高温物体向低温物体的热传导过程是自发进行的。
反过来，要使热量从低温物体传递给高温物体，则必须借助外界的作用．
克劳修斯的表述：
热量不能自发地从低温物体传递给高温物体。或者说，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。
二、热传导的方向性：
Q1：向高温热库放出的热量
W：外界所做的功
Q2：从低温热库吸收的热量
Q1=Q2+W
“不产生其他影响”的涵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。
压缩机会消耗电能，对冷却系统做功
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
Part 03
机械能和内能转化的方向性
机 内：可自动进行(如摩擦生热)
内 机：不可自动进行
(静止物体不可能自行降温而运动起来)
三、机械能和内能转化的方向性：
机械能和内能的转化过程也是有方向性的．
机械能可以全部转化为内能，
内能却无法全部用来做功以转化为机械能，而不产生其他影响
开尔文的表述：
不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
三、机械能和内能转化的方向性
Q1
Q2
W
Q1=Q2+W
“不产生其他影响”的涵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。
热机
燃料在燃烧（高温物体）
冷凝器或大气（低温物体）
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源吸收的热量，即
W< Q
Q1
Q2
W
热机
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
第二类永动机：
开尔文的表述：
不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
三、机械能和内能转化的方向性
从单一热源吸收热量并全部用来做功，把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达到100％的热机
第二类永动机不可能制成!
Q1
Q2
W
1、克劳修斯的表述
热力学第二定律
热量不能自发地从低温物体传递给高温物体。
或者说，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。
2、开尔文的表述
不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
实质：按热传递的方向性来表述
实质：按机械能与内能转化过程的方向来表述
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.
两类永动机
第一类永动机
第二类永动机
不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器
从单一热源吸收热量并全部用来做功，把得到的内能全部转化为机械能，热机效率达到100％的热机
违背了热力学第一定律
违背了热力学第二定律(开尔文表述)
热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等价的
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
证明：用反证法（假设开尔文表述不成立）
假设：热机从高温热源T1 吸收热量Q1 ，全部变成有用功A而不产生其它影响。
用这部热机做的功A去驱动另一部制冷机，它从低温热源T2吸收热量Q2 ，在高温热源放出A + Q2 ＝ Q1 +Q2，于是两部机器合起来，总的效果等于一部机器，它从低温热源T2吸收热量Q2 ，在高温热源放出Q2 ，此外没有其它变化，这是违反克劳修斯表述。
等效
热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的
证明：用反证法（克劳修斯表述不成立）
假设：热量可以从低温物体传到高温物体，因而可以设计一卡诺热机，工作于这两个热源之间，从高温热源T1 吸收热量Q1 ，向低温热源放出热量Q2 ，同时对外做功A ；我们使Q2自动传到高温热源。经过一个循环后，总的效果是从高温热源T1吸取热量Q1 －｜Q2｜，低温热源状态不变。这相当于是从单一热源吸取热量对外做功的机器，因而违了开尔文表述。
等效
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
Part 04
热力学第二定律的应用
例1：有人设想如图所示的装置(假设活塞与缸壁无摩擦)，并提出“理想气体可从单一热源吸热并进行等温膨胀，从而实现百分之百对外做功”。这引发了同学们的争论:有同学认为是可能实现的，有的同学则认为不可能。你赞同哪一种观点 为什么
五、热力学第二定律的应用
根据气体实验定律，如果气体进行等温膨胀，即气体温度不变，体积增大，则气体压强应减小，而从图中可知，该气体压强是恒定的。显然该气体是不可能进行等温膨胀的。
事实上，该过程是一个等压膨胀的过程，气体压强不变，体积增大，温度升高，内能增大，气体吸收的热量不可能百分之百对外做功。
例2：目前，市场上有一种叫“空气能热水器”的产品受到了大家的热捧，空气能热水器通过空气中的热量来揭高水温，其消耗的电能仅仅压缩机用来搬运空气所用的能量，据说其“热效率可达300%以上"。"热效率可达300%以上”的说法是否属实？
五、热力学第二定律的应用
Q1
Q2
W
答：热机从高温热源吸收热量，一部分用来做功，一部分向低温热源放出热量，那么从做功效率的角度来讲，做功的部分小于吸收热量的部分，也就是内能没办法全部转化成机械能，也就是热机效率小于100%。
例3：下列说法正确的是(　　)
A.第二类永动机违背了能量守恒定律
B.第二类永动机违背了热力学第二定律
C.根据能量守恒定律，经过不断的技术改造，热机的效率有可能达到100%
D.电冰箱和空调机工作时，热量从低温热源传到高温热源，违背了热力学第二定律
解析：第二类永动机没有违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，A错误，B正确；热机的效率永远小于100%，因为要向低温热源散热，C错误；电冰箱和空调机工作时，是通过压缩机做功，来实现热量从低温热源到高温热源的传递，所以并没有违背热力学第二定律，D错误。
例4.(多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是(　　 )
A.电能不可能全部变为内能
B.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能
C.热机中，燃气内能不可能全部变为机械能
D.在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
解析：根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电能可全部变为内能(由焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电能，而不产生其他影响。机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能.在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体。
课堂小结
热传递具有方向性
热力学第二定律克劳修斯的表述：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。
内能和机械能转化过程具有方向性
热力学第二定律开尔文的表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
热力学第二定律：两种表述是等价的。
热力学第二定律