3.4热力学第二定律 课件 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册(共23张PPT)

(共23张PPT)
3.4热力学第二定律
学习目标：
1.[物理观念]知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的内容，能解释相关现象。　
2.[科学思维]理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，提高分析推理能力。　
3.[科学探究]通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。　
4.[科学态度与责任]学会科学家探索问题的方法，实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。
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
问题导入
热机：是一种把内能转化为机械能的装置。
(汽油机、柴油机、蒸汽轮机、喷气发动机等）
一、机械能与内能转化的方向性
柴
油
机
四
冲
程
①吸气冲程
②压缩冲程
③做功冲程
④排气冲程
机械能与内能转化的方向性
热机工作原理和过程：
一阶段：
二阶段：推动活塞对外做功 W—（工作物质内能变成机械能）。
机械能与内能转化的方向性
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
热机能流图
热机工作时的能流分配
热机的效率小于100%，就不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为机械能，总有一部分热量散发到冷凝器或大气中。
热转换为功的过程也是不可逆的，具有方向性。
对外做功
机械能与内能转化的方向性
热机
高温热库
W
低温热库
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。
二、热力学第二定律
（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日）
（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。
说明：
开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
开尔文表述揭示机械能与内能转化方向性
机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。
热力学第二定律的另一种表述
例如，利用热机循环，吸热可对外作出功来。但实际热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。
热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。
开尔文表述：
不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
如何理解单一热库？
单一热库指温度均匀并且恒定不变的系统。
若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在
不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。
据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
热力学第二定律的另一种表述
开尔文表述：
不可从能单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
如何理解其他影响？
指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响
或除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。
不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动热传递是不可能的。
热力学第二定律的另一种表述
开尔文表述：
不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
适用条件：只能适用于由很大数目分子构成的系统及有限范围内的宏观过
程，而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。
热力学第二定律的另一种表述
开尔文表述：
不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
如何理解“不可能”？
实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，
以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不
论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。
热力学第二定律的另一种表述
热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？
克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自发地从低温物体传到高温物体）。
开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。
热力学第二定律的反思
热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？
①两种表述是等价的
可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。
②对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
热力学第二定律的反思
热力学第二定律的意义？
提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。
不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
热力学第二定律的意义
三、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
高品质：机械能、光能、化学能、电能
低品质：内能
转化方向不可逆
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。
所以要节约资源
课堂练习
例1：下列说法正确的是（ ）
A.热量不能由低温物体传递到高温物体
B.外界对物体做功，物体的内能必定增加
C.热机的效率可以达到100%
D.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
D
课堂练习
例2：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
例3：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
课堂小结
一、热传导的方向性：
热机：把内能转化为机械能的装置
高温物体
低温物体
热量
二、热力学第二定律的两种表述
1、克劳修斯表述：
2、开尔文表述：
3、第二类永动机