第三章 4 热力学第二定律（课件）—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理选择性必修第三册20张PPT

第三章 热力学定律
4　热力学第二定律
选修第三册 人教版
学习目标
1.通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律.
2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质.
3.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题.
4.认识能量耗散，知道能源是有限的．
一、热力学第二定律
1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律．
2．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．阐述的是传热的方向性．
知识梳理
3．热力学第二定律的开尔文表述：
(1)热机
①热机工作的两个阶段：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．
②热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W(2)热力学第二定律的开尔文表述：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．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)．
4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的．(选填“等价”或“不等价”)
5．自然过程的方向性
(1)热传导具有方向性
两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．
(2)气体的扩散现象具有方向性
两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体．
(3)机械能和内能的转化过程具有方向性
物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．
(4)气体向真空膨胀具有方向性
气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空．
6．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等．
(2)“不产生其他影响”的含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．
(3)“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．
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，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，不论用任何的办法都不可能加以消除．
特别提醒：(1)热力学第二定律的两种表述是等价的．
(2)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．
二、能源是有限的
1．能源：具有高品质的容易利用的储能物质．
2．能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”．
3．能源的使用过程中虽然能的总量保持不变，但能量的品质下降了，能源减少了．
4．能量与能源的区别
（1）能量是守恒的，既不会增加也不会减少．
（2）能源是能够提供可利用能量的物质．
（3）能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源．
三、热力学第一定律和热力学第二定律的比较
1．两定律的比较
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}
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
2.两类永动机的比较
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}
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
例题
1.（2020高二下·烟台期末）下列说法中，能够发生且不违背热力学第二定律的是（?? ）
A.?一杯热茶自然放置，茶会自动变得更热
B.?电冰箱正常工作时把箱内低温物体的热量传递到箱外高温物体
C.?只要对蒸汽机不断革新，它就可以把蒸汽的内能全部转化成机械能
D.?利用降低海水温度放出大量的热量来发电，从而解决能源短缺的问题
参考答案
【答案】 B
【考点】热力学第二定律
【解析】【解答】A．热传递具有方向性，热量能自发的从高温物体传到低温物体，故一杯热茶自然放置，茶会自动变得凉，不会自动变得更热，违背热力学第二定律，A不符合题意；
B．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体，此过程中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，能发生，B符合题意；
C．蒸汽机的能量损失不可避免，不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，违背了热力学第二定律，不能发生，C不符合题意；
D．利用降低海水温度放出大量的热量来发电，需要消耗更多的其它能量，违背了热力学第二定律，故不能解决能源短缺问题，D不符合题意。
故答案为：B。

例题
2.（2020高二下·江夏月考）关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是（?? ）
A.?第二类永动机违反能量守恒定律
B.?如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加
C.?外界对物体做功，则物体的内能一定增加
D.?做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点看这两种改变方式是有区别的
【答案】 D
【考点】热力学第一定律（能量守恒定律），热力学第二定律
【解析】【解答】A．第二类永动机没有违反能量守恒定律，但却不能成功制成。A不符合题意；
B．如果物体从外界吸收了热量，且又对外做功，则物体的内能不一定增加。B不符合题意；
参考答案
C．外界对物体做功，若与外界无热量交换，则物体的内能一定增加。C不符合题意；
D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的。D符合题意。
故答案为：D。
谢谢聆听