3.4 热力学第二定律 课件（18张PPT）

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3.4 热力学第二定律
人教版选择性必修第三册同步课件
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
知识点一：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。
机械能和内能的转化过程具有方向性
机械能
机械能
内能
内能
自发
全部
自发
全部
×
思考：满足能量守恒定律的过程是否都能实现呢
无数事实告诉我们，凡是实际的过程，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
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
由机械能到内能
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
克劳修斯
1. 热力学第二定律的克劳修斯表述：
热量不能自发从低温物体传到高温物体。
（1）物体间传热过程的方向性
高温
低温
自发
（2）自发性：
不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响
外界做功
外界环境发生变化
思考与讨论：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
因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。
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
不违背
2.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。
说明：
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。
热机
3.热力学第二定律两种表述的比较
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
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。
4.热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
5.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。
3.能源的使用过程中虽然能量的总量保持守恒，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。
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，流散到周围环境中，无法重新自动
聚集起来加以利用的现象。
1.能量耗散：
2.能源：
是指具有高品质的容易利用的储能物质。
知识点二：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。
拓展学习
1. 下列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是( )
A. 大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开
B. 将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开
C. 冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D. 随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%
A
2. 对热力学第一定律和第二定律的理解，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. 内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
D. 机械能不能全部转化为内能
C
3.在热学中,下列说法正确的是 (　　)
A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体
A
4.关于能量和能源,下列说法正确的是 (　 )
A.在能源利用的过程中,能量在数量上并未减少
B.由于自然界中总的能量守恒,所以不需要节约能源
C.能量耗散说明能量在转化过程中不断减少
D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
A
热力学第二定律
热力学第二定律克劳修斯表述
热力学第二定律开尔文表述
能源是有限的