热力学第二定律课件高二下学期物理人教版选择性

热力学第二定律高中物理一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即：具有方向性。红墨水的扩散气体的自由膨胀热水冷却摩擦生热一.宏观自然过程的方向性思考：这些与热现象有关的过程，其逆过程是否可以自发的进行？高中物理二.热力学第二定律克劳修斯表述（传热的方向性）热量不能自发地从低温物体传到高温物体。两个温度不同的物体接触时，自发的传热方向是从高温物体指向低温物体。当有第三者介入时，热量可以从低温物体传向高温物体，但产生其他影响。制冷机原理（电冰箱）Q2

W

Q1压缩机T2

T1高中物理开尔文表述又作：第二类永动机（Q2=0）不可能制成。二.热力学第二定律2.开尔文表述（机械能与内能转化的方向性）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。热机原理（内燃机、蒸汽机、喷气发动机）输出机械功Q1Q1=Q2

W

=

W

100%热机能流图T2

T1高中物理T2

T1热机热机制冷机二.热力学第二定律3.克劳修斯表述与开尔文表述是等价的（1）如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立图(1)图

(2)（2）如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立高中物理三.热力学第二定律的微观解释1.从概率的角度认识宏观过程的方向性（以气体自由膨胀为例）思考：某绝热容器被隔板等分为左、右两部分，一定量的气体处于左侧，分子数记为N

(为简单起见，分子数N取4)，右侧为真空。抽取隔板后，左侧的气体会扩散到右侧，最终整个容器内都均匀的分布了这种气体。已知每个分子出现在左、右两侧的概率相等，分析各宏观态下微观态的个数。宏观态左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4微观态个数Ω高中物理宏观态左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4微观态个数Ω14641各处分子分布相同微观态最多高中物理宏观态左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4微观态个数Ω14641三.热力学第二定律的微观解释1.从概率的角度认识宏观过程的方向性（以气体自由膨胀为例）各处分子分布相同，无序微观态最多,概率最大结论：出现初始宏观态“左4右0”的概率最小。——不可逆性宏观态“左2右2”对应的的概率最大。——微观态越多，越无序热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。高中物理不可逆过程系统状态变化热传导温度不均匀

→

温度趋于均匀功热转化宏观机械运动

→

大量分子无规则运动扩散物质集中

→

物质分散三.热力学第二定律的微观解释2.熵增加原理熵的定义

S

k

ln

，k为玻尔兹曼常数。理解：熵是宏观态无序程度的量度。熵越高，宏观态对应的微观态越多，越无序。用熵的概念表述热力学第二定律（又称熵增加原理）在任何自然过程中，一个孤立系统的熵不会减小。即

S

0 。理解：可逆过程，熵不变；自发的宏观过程都是不可逆的，熵增加。高中物理四.能源和可持续发展1.能量耗散和品质降低在人类利用能源的过程中，虽然能量总量不变，但随着熵增加，机械能、化学能等集中度高（有序度高）的能量转化为分散（无序度高）的内能，发生能量耗散。从可利用价值来看，能量耗散导致能量品质降低，也叫能量降退。核能电能机械能内能化学能电磁辐射能高中物理四.能源和可持续发展1.能量耗散和品质降低在人类利用能源的过程中，虽然能量总量不变，但随着熵增加，机械能、化学能等集中度高（有序度高）的能量转化为分散（无序度高）的内能，发生能量耗散。从可利用价值来看，能量耗散导致能量品质降低，也叫能量降退。2.节约能源与可持续发展节能与环保开发新能源：太阳能，生物质能，风能，水能等高中物理例题.一个铁球从高处落下，最后静止于地面，试分析该过程中熵的变化。解答：铁球下落过程中与空气摩擦，落地后与地面多次碰撞，机械能转化为内能，铁球、空气、地面组成的系统熵值增大。思考：怎么理解“内能与机械能转化的方向性”？分析：机械运动是指物体空间位置的变化，物体的运动状态遵循牛顿运动定律，这是一种有序的运动。热运动是大量分子的无序运动。机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，熵增加，符合热力学第