3.4热力学第二定律课件高二下学期物理人教版选择性

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？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。物理选择性必修3第三章

热力学定律

第四节热力学第二定律学习目标（看完举手示意）1．了解和归纳热力学第二定律的过程和方法。2．能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，即自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。3.了解能量与能源的区别以及能量的有限性。学生自学阅读课本P59-62内容找到书中的知识点、重点、疑难点。完成举手示意阅读过程中标注出书中的关键字、词、句、段。一读、二划、三找、四梳理、五结论自学指导1（限时2分钟）1.阅读课本59-61页热力学第二定律定律部分①热力学第二定律定律的物理意义②热力学第二定律定律的克劳修斯表述是什么？③解决思考与讨论中的问题④热力学第二定律定律的开尔文表述是什么？⑤热机的工作原理是什么？⑥两种表述的联系？①热力学第二定律定律的物理意义精讲点拨一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。②热力学第二定律定律的克劳修斯表述是什么？精讲点拨热力学第二定律克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。物体间传热过程的方向性两个温度不同的物体接触时，热量会自发从高温物体转移到低温物体。但反过来，你让热量自发，从低温物体转移到高温物体，那是不可能的，这就是方向性。自发性：不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。当两个温度不同的物体接触时，热量就能自发从一个物体传向另一个物体。这个过程中，不需要外界的帮助，也不改变外界环境。但如果有外界做功的帮助，或者外界环境发生变化，那这样的转移是可以反过来的。比如水往低处流，但也是可以有条件的向高处流的。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.”③解决思考与讨论中的问题精讲点拨低温物体（冰箱内的食品），热量传到了高温物体（冰箱外的空气）。但是这个过程并不是自发进行的，而是依赖外界做功，消耗了电能。如果不供电，冰箱的压缩机会停止工作，自发的过程则是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品。这个过程才是自发进行的。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④热力学第二定律定律的开尔文表述是什么？精讲点拨热力学第二定律开尔文表述：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。热机的效率无法达到100%也就是无论任何装置，只要是吸收内能，然后转化为机械能，或者其他可以做功的能量，都一定需要两个热库，而且效率无法达到100%。机械能与内能转化的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（要是全部用来做功，会有影响）。例如，两个相互接触并做相对运动的物体，由于摩擦而静止下来，它们在这个过程中消耗的机械能可以全部转化为内能；但相反的过程不可能自发进行而不产生其他影响。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。⑤热机的工作原理是什么？精讲点拨燃料的化学能→工作物质的内能→机械能。但是燃料燃烧产生的热量可能会因为漏气而损失一些，还有机体温度升高，会因为散热损失一些。此外，转化为机械能时，克服机械摩擦还会造成损失。所以最后输出的机械功W肯定小于燃料产生的热量Q。W<Q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⑥两种表述的联系？精讲点拨可以证明，热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。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。这两种描述分别是前面说的物体间的传热，以及有摩擦的机械运动，它们都有方向，同样的物体的扩散，气体的膨胀的不可逆都可以说是热力学第二定律的表述。总之，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。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，又相互拓展资料.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，又相互拓展资料，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──卡诺热机对外作功自学指导2（限时2分钟）2.阅读课本61-62页能源是有限的部分①能源的概念以及能源的利用时期？能量的耗散：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。机械能、光能、化学能、电能等，我们很容易利用称为高品质能量。内能是低品质能量，利用比较困难，且能量都是自发的向低品质方向进行的。能源：其实是指具有高品质的容易利用的储能物质

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。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。

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