3.3　热力学第二定律　3.4 熵—系统无序程度的量度(共35张PPT)

(共35张PPT)
第三章　热力学定律
热力学第二定律　
熵—系统无序程度的量度
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？
2
掌握热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因
1
知道什么是可逆过程与不可逆过程,知道热传递的方向性
重点
3
了解熵的概念及熵增加原理,并能解释生活中的有关现象
可逆过程与不可逆过程
热量自发地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的
可能发生这样的逆过程吗？
扩散现象进行是有方向的，过程是不可逆的。
可能发生这样的逆过程吗？
气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。
可能发生这样的逆过程吗？
踢出的足球在地面上运动，最终可以停在地面上，能量如何转化？静止的足球和地面周围的空气能否自发地降低温度释放内能，并将内能全部转化为足球的动能让足球又滚动起来？说明了什么？
机械能转化为内能　不能　与热现象有关的宏观过程有方向性
1.可逆过程与不可逆过程
(1)可逆过程:一个系统由某一状态出发,经过某一过程到达另一状态,如果存在另一过程,它能使系统和外界完全复原,即系统回到原来的状态,同时消除原来过程对外界的一切影响,则原来的过程称为 。
(2)如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原,则原来的过程称为____
。
2.热传递是不可逆过程,具有 。
3.功热转化这一热现象是不可逆的,具有 。
4.凡是与热现象有关的宏观过程都具有 。
可逆过程
不可
逆过程
方向性
方向性
方向性
热力学第二定律及第二类永动机
从能量转化的角度看热机的工作，分为两个阶段：
①燃烧燃料
工作物质把自己的内能变成机械能
燃料中的化学能变成工作物质的内能
②对外做功
从能流分配的角度看热机工作：
从高温热库吸收的热量 Q，只有一部分用 来做功 W，转变为机械能，
另一部分热量要排放给低温热库（冷凝器或大气）。即 W ＜ Q
燃料燃烧
冷凝器或大气
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 ？
即热机能否把内能全部转化为机械能？
从能流分配的角度看热机工作：
高温热源
吸收热量Q1
低温热源
放出热量Q2
热机
对外做功W
根据能量守恒 Q1= Q2+W
<100%
热机在工作过程中总有一部分热量散发到冷凝器或大气中，
热机不能把内能全部转化为机械能！
思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W ？
即热机能否把内能全部转化为机械能？
热机效率
(1)克劳修斯表述
不可能使热量从 物体传向 物体而不引起其他变化。
(2)开尔文表述
不可能从 吸取热量,使之完全用来做功而不引起其他变化。
低温
高温
单一热源
热力学第二定律
(1)定义
从 吸取热量并使之 转化为功而不引起其他变化的机器。
(2)第二类永动机不可能制成
第二类永动机并不违背热力学 ,但违背了热力学 。
(3)热力学第二定律的又一表述
第二类永动机是 实现的。
单一热源
完全
第一定律
第二定律
不可能
第二类永动机
第一种“不引起其他变化”是指使热量从低温物体转移到高温物体时,外界不需要做功;第二种“不引起其他变化”是指唯一效果是热量全部转变为功,而外界及系统都不发生任何变化。
1.如何解释热力学第二定律的两种表述中的“不引起其他变化”
不正确。克劳修斯表述是说热量不能自发地从低温物体传向高温物体。如果外界做了一定的功,把热量从低温物体传向高温物体是完全可能的,如电冰箱和空调机的制冷过程。
2.(1)“热量不可能从低温物体传向高温物体”这种理解正确吗
不正确。开尔文表述表明在不引起其他变化或不产生其他影响的条件下,吸收的热量不能完全用来对外做功,如理想气体的等温自由膨胀过程,系统内能不变,吸收的热量全部对外做功,但却引起了体积的膨胀。
(2)“功可以完全转化为热,但热不能完全转化为功”这种理解正确吗
不是,热量从低温热源传到高温热源时需要有外界做功。
3.如图是制冷系统和热机的工作原理示意图,通过图思考以下问题。
(1)制冷系统工作时热量是自发地从低温热源传到高温热源吗
不能,热机工作时只能将从高温热源吸收热量的一部分用来做功,剩余的部分释放到低温热源。
(2)热机工作时能否将从高温热源吸收的热量全部用于做功
1.(多选)根据热力学第二定律可知,下列说法中正确的是
A.不可能从单一热源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.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
D.如果没有摩擦、漏气等,热机效率可以达到100%
√
√
2.(多选)(2023·云南省开远市第一中学高二期末)地球上有很多的海水,它的总质量约为1.4×1018 t,如果这些海水的温度降低0.1 ℃,将要放出5.8×1023 J的热量。有人曾设想利用海水放出的热量,使它完全变成机械能来解决能源危机,但这种机器是不能制成的,关于其原因,下列说法正确的是
A.内能不能转化成机械能
B.内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二定律
D.机械能可全部转化为内能,内能不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
√
√
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二定律
D.电冰箱的工作原理违背热力学第二定律
√
√
1.一切物理过程均遵循能量守恒定律,但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。
2.热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”,但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”,如果去掉这种前提条件,就都是有可能的。例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体,等温膨胀就是从单一热源吸收热量,使之完全用来做功,但不是自发地或是产生了其他影响。
熵
覆水难收
君不见黄河之水天上来
奔流到海不复回
成语“覆水难收”指一盆水被泼出后不可能再回到盆中,请结合熵的变化解释为什么水不会自发地聚到盆中。
成语“覆水难收”指一盆水被泼出后不可能再回到盆中,请结合熵的变化解释为什么水不会自发地聚到盆中。
由于盆的形状确定,水在盆中时,空间位置和所占据的空间的体积一定,显得“有序”“整齐”和“集中”,系统的熵低。当把水泼出后,它的形状不再受盆的限制,各种可能的形状都有,占据的空间面积和所处的位置都有多种可能,显得“混乱”“分散”,较为“无序”,系统的熵高。水泼出的过程属于从有序向无序的转化过程,导致熵的增加,符合熵增加原理。反之,水聚到盆中过程,属于从无序向有序转化,即从高熵向低熵转化,不符合熵增加原理,因此水不能自发地聚到盆中。
1.有序与无序
(1)生活中符合某种规则的现象称为 ,反之称为 。规则越多,一个宏观状态对应的微观状态越少,出现的概率越小,我们称之为越有序。反之规则越少,一个宏观状态对应的微观状态就越多,出现的概率也越大,我们称之为越无序。
(2)热力学第二定律的微观本质:与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度 的方向进行。
有序
无序
增大
2.熵和熵增加原理
(1)熵的定义
用来量度系统 的物理量叫作熵。
(2)熵增加原理
在孤立系统中的宏观过程必然朝着 的方向进行。
3.熵与能量退降
在熵增加的同时,一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态, 退化了,这种现象称为能量退降。
无序程度
熵增加
能量品质
4.下列关于熵的说法错误的是
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的
D.熵值越大,代表系统分子运动越无序
√
热力学第一定律和
热力学第二定律的比较
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 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
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
第二类永动机和第一类永动机的区别是什么？它为什么不能实现？
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
5.关于两类永动机和热力学两大定律,下列说法正确的是
A.第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律
B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但
同时做功和传热一定会改变内能
D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一
热库吸收热量,完全变成功也是可能的
√
6.(2020·全国卷Ⅱ)下列关于能量转换过程的叙述,违背热力学第一定律的有　　,不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有　 。(填正确答案标号)
A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B.冷水倒入保温杯后,冷水和杯子的温度都变得更低
C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功,而不产生其他
影响
D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
B
C
可逆过程与不可逆过程
熵增加原理
熵
永动机
定义：量度系统无序程度
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体
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
第一类永动机违背能量守恒定律
第二类永动机违背热力学第二
定律
热力学第二定律及
第二类永动机
热力学第一定律和热力学第二定律的比较
热熵—
力系
学统
第无
二序
定程
律度
的
量
度