热力学第二定律(课件)-高中物理课件（人教版2019选择性必修第三册）

第三章热力学定律3.4热力学第二定律人教版（2019）高中物理选择性必修第二册主讲人：点石成金

CONTENTS01热力学第二定律02能源是有限的03典例分析目录

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？新课导入想一想：大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性?覆水难收水往低处流

能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或能量消失的过程是不可能出现的。符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？物体间的热传递有特定的方向性：

只能自发地从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到物体的低温部分。气体的膨胀有特定的方向性：只能自发地向低压空间膨胀。扩散有特定的方向性：只能自发地由密度大的区域向密度小的区域扩散。无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，例如上面列举的这些例子，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，我们也从未见到它们会自发地进行。这就是说，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功到热反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。01热力学第二定律热力学定律1850年，德国物理学家克劳修斯(R.Clausius，1822-1888)将热力学第二定律表述为：高温热库T1低温热库T2Q1Q2做功制冷机W1、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.（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是将热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化）Q1：向高温热库放出的热量W：外界所做的功Q2：从低温热库吸收的热量2、制冷机工作原理Q1=Q2+W热力学第二定律的克劳修斯表述克劳修斯表述的说明：热力学第二定律是用否定语句表述的（绝大多数物理定律都是用肯定语句表述的），它告诉我们什么样的过程不可能发生。⑴这里阐述的是热传递的方向性。⑵“自发”二字的意义：

当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传向另一个物体。⑶克劳修斯表述也相当于：如果一台制冷机，制冷系数为：，W为外界对机器做的功，Q2为从低温物体吸收的热量。

不可能造成这样一台制冷机器，W→0，ε→∝，该机器在一个循环动作完成后，外界没有变化，唯一的结果是把Q2从低温物体传送到高温物体。当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。(3)如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源.按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，它无需消耗功就能致冷。克劳修斯表述否定了这种可能性.3、理解：(2)要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。如果允许“其它变化”，例如利用致冷机做功，热量可以从低温物体传到高温物体上，而致冷机做功就属于“其它变化”。如：夏天空调压缩机工作时，可将室内低温空气的热量传到室外高温的空气中去。(1)克劳修斯表述阐述的是传热的方向性——两个温度不同的物体相互接触时,热量可以自发地从高温物体传向低温物体。强调了“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.”1．下列说法中，正确的是 (

)A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性B．热量不可能由低温物体传给高温物体C．气体的扩散过程具有方向性D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性热力学第二定律反映的所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性在产生其他影响的情况下,热量可以从低温物体传给高温物体.例如冰箱C例题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？

电冰箱工作时热量的确从低温物体——冰箱内的食品，传到了高温物体——冰箱外的空气。但是这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机消耗电能，对制冷系统做了功

一旦切断电源，冰箱的压缩机就停止工作，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。自发的过程是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品，使其温度逐渐升高。

思考与讨论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1851，英国物理学家开尔文将热力学第二定律表述为：1、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。（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不引起其他变化）2、热机工作原理高温热库T1低温热库T2Q1Q2对外做功热机WQ1：从高温热库吸收的热量W：对外界所做的功Q2：向低温热库散发的热量Q1=Q2+W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。热力学第二定律的开尔文表述⑴这里阐述的是机械能与内能转化的方向性。⑵“不可能从单一热库吸收热量”的意义：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。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。

如果一台热机，效率为：，热机从热源吸取的热量Q1全部变成功W，即Q2＝0，该机器唯一的结果就是从单一热源吸取热量全部变成功而不产生其它影响。此时热机的效率η＝1(100%)，

η＝1的热机称为第二类永动机。⑶克劳修斯表述也可以改为：第二类永动机是不可能制造成功的。开尔文表述的说明：（1）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。3、理解：（2）“不可能从单一热库吸收热量”指：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。单独提供热不足以给出推动力，还必须要冷。没有冷，热将是无用的。（3）“不产生其他影响”的涵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。（4）自然界的一切自发过程都不可逆。

在整个自然界中，无论是他有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程。如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，人的一生从婴儿到老年到死亡等。违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。气体自由膨胀会自动发生气体自动收缩不会自动发生功转变成热量会自动发生热量自行转变成功不会自动发生功

热：可自动进行(如摩擦生热、焦耳实验)热

功：不可自动进行(焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使重物升高)

··水叶片焦耳实验

热机的工作过程⑴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⑵从能流分配的角度看：W<Q柴油机汽缸燃料的化学能工作物质的内能机械能对外做功燃烧燃料产生的热量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？高温热库低温热库QW燃料在燃烧（高温物体）冷凝器或大气（低温物体）自发

热机在工作过程中必然排出部分热量，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<Q思考与讨论

在水平地面上滚动的足球，摩擦力做负功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时产生的热量散失在周围的环境中。会不会有这样的现象∶静止在水平地面上的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来?机械能与内能转化的具有方向性上述现象是不可能发生的。问题的实质是：机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。4、热力学第二定律的两种表述之间的关系1、热量不能自发地从低温物体传到高温物体.热力学第二定律1、按热传递的方向性来表述2、是按机械能与内能转化过程的方向来表述.两种表述的实质2、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.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。6、热力学第二定律得其他描述：（1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。（2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。1）适用于宏观过程对微观过程不适用，如布朗运动。2）孤立系统有限范围,对整个宇宙不适用。7、热力学第二定律的适用范围8、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.5、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。热力学第二定律与第一定律的比较

热力学第一定律热力学第二定律区别联系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。两定律都是热力学基本定律，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，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础。热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等价的Q1──热机从T1吸热A──热机输出功Q2──热机从T2吸热Q1+Q2──致冷机向T1放热证明：用反正法（假设开尔文表述不成立）假设：热机从高温热源T1吸收热量Q1，全部变成有用功A而不产生其它影响。用这部热机做的功A去驱动另一部制冷机，它从低温热源T2吸收热量Q2，在高温热源放出A+Q2＝Q1+Q2，于是两部机器合起来，总的效果等于一部机器，它从低温热源T2吸收热量Q2，在高温热源放出Q2，此外没有其它变化，这是违反克劳修斯表述。等效热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的证明：用反正法（克劳修斯表述不成立）假设：热量可以从低温物体传到高温物体，因而可以设计一卡诺热机，工作于这两个热源之间，从高温热源T1吸收热量Q1，向低温热源放出热量Q2，同时对外做功A；我们使Q2自动传到高温热源。经过一个循环后，总的效果是从高温热源T1吸取热量Q1－｜Q2｜，低温热源状态不变。这相当于是从单一热源吸取热量对外做功的机器，因而违了开尔文表述。等效T2──低温热源Q2──热量通过假想装置自动地从T2传向T1Q1──卡诺热机从T1吸热A──卡诺热机对外作功02能源是有限的热力学定律

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。所以要节约资源能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。

每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。1、能量耗散2、品质降低

机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的能量。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。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。1、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。2、不可逆的现象可以从微观角度来解释。

设想开始时有4个气体分子分布在A中。如果没有隔板，对于这4个分子中的每一个都有两种可能性，即它处在A中，或处在B中。4个分子共有24＝16种可能的分布，如下右图所示。熵与熵增加原理拓展学习

这16种分布中的每一种是一种微观态。在自由膨胀前，只有一个微观态，即4个分子都在A中。自由膨胀后，16个微观态都可能实现。自由膨胀前的宏观态只包含第一个微观态，自由膨胀后的宏观态包含16个微观态。假定实现每一微观态的概率是相等的，则自由膨胀后回复到自由膨胀前状态的概率为1/16。

一般地说，如果A中气体数量为N个，则自由膨胀后的气体要回复到自由膨胀前的概率为。实际上，气体内的分子数很大，因此自由膨胀的气体要自发地回复到膨胀前的状态实际上是不可能的。拓展学习3、有序和无序

相对于膨胀后的状态，物理学中把气体膨胀前的状态叫作有序状态，而气体自由膨胀后的状态变得更混乱与无序，是无序状态。一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。

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。熵与熵增加原理

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。4、熵5、熵增加原理。

从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。熵的概念现在已经应用于信息学、天体物理学、生命科学、社会学等领域，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义。『判一判』(1)机械能可以完全转化为内能。 (

)(2)内能不可能完全转化为机械能。 (

)(3)能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。

(

)(4)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。 (

)√×√√★★★准静态过程：是一种理想过程，当实际过程进行得无限缓慢时，各时刻系统的状态就无限地接近于平衡态，该过程便是准静态过程。03典例分析热力学定律【例题1】根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（）A.功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功B.热可以从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的D.随着技术的进步，热机的效率可以达到100%C解析：

功可以全部转化为热，根据热力学第二定律的开尔文表述，不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响，把热全部转换为功并不是不可能，只是需要产生其他影响而已，所以A错误；热可以从高温物体传到低温物体，根据热力学第二定律的克劳修斯表述，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，也就是说热量可以从低温物体传递到高温物体，只是需要产生其他影响，所以B错误；一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，所以C正确；热机的效率绝对不可能达到100%，一定会有能量损失，所以D错误。【例题2】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解析：不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,故A正确;从单一热库吸收热量而对外做功的第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,故B错误;热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能,而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能,故C错误;热量能从高温物体传向低温物体,在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体。故D错误。。【例题3】热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。下列关于能量耗散的说法中正确的是(

)A.能量耗散不符合热力学第一定律B.能量耗散不符合热力学第二定律C.能量耗散过程中能量不守恒D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的与热现象有关的宏观过程具有方向性D解析：

能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再自动聚集起来,其满足热力学第一定律,也符合热力学第二定律,能量在数量上并未减少,但是可利用的品质上降低了。能量耗散反映了涉及热运动的宏观过程都具有方向性,所以A、B、C错误,D正确。1、根据热力学定律,下列判断正确的是(

)A.空调可以制冷说明热量可以自发地从低温物体传到高温物体B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行B

热量不能自发地从低温物体传到高温物体,A错;由热力学第二定律可知,B正确;热量从低温物体传给高温物体时一定会引起其他变化,C错;只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的,D错。小试牛刀2、关于热力学定律,下列说法正确的是(

)A.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加C.