【高中物理】熱力學(xué)第二定律+課件+高二上學(xué)期物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊

3.3熱力學(xué)第二定律

覆水難收、破鏡難圓。水從高山流到河谷，不可能自動(dòng)地流回高處；一滴墨水滴入一杯清水，最終會(huì)均勻地?cái)U(kuò)散開來，不可能再自動(dòng)地凝成一滴墨水。1、可逆過程與不可逆過程

一杯開水放在空氣中，溫度會(huì)逐漸降低，最后與室溫相同。

要使水溫度升高，就必須給它加熱，消耗外界的能量。

眾多現(xiàn)象表明：自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程不可能自動(dòng)地逆向進(jìn)行。要使它們逆向進(jìn)行，就必須由外界對它們施加影響。

一個(gè)系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程到達(dá)另一狀態(tài)，如果存在另一過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時(shí)消除原來過程對外界的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程。

如果用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則原來的過程稱為不可逆過程。

熱量可自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體，或者由物體的高溫部分傳給低溫部分。但是，從未發(fā)現(xiàn)過熱量自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體，或由物體的低溫部分傳給高溫部分，盡管這樣的過程并不違背熱力學(xué)第一定律。熱傳遞是不可逆過程，具有方向性。

轉(zhuǎn)動(dòng)著的飛輪在撤除動(dòng)力后，會(huì)因摩擦而逐漸停下來。在這一過程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，軸和飛輪的溫度升高。而相反的過程（即軸和飛輪自動(dòng)地冷卻，內(nèi)能重新轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而使飛輪轉(zhuǎn)起來）卻不會(huì)發(fā)生，盡管它并不違背熱力學(xué)第一定律。

在焦耳的葉輪攪水實(shí)驗(yàn)中，重物可自動(dòng)下落，使葉輪在水中轉(zhuǎn)動(dòng)，與水相互摩擦使水溫上升，這是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。與此相反的過程，即水溫自動(dòng)降低，產(chǎn)生水流，推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)重物上升的過程是不可能發(fā)生的，盡管這樣的過程不違背熱力學(xué)第一定律。功熱轉(zhuǎn)化這一熱現(xiàn)象是不可逆的，具有方向性。熱傳遞是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移過程功熱轉(zhuǎn)化是內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程過程不可逆凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性。2、熱力學(xué)第二定律及第二類永動(dòng)機(jī)

為了闡明自然過程發(fā)生的方向，在大量研究的基礎(chǔ)上，克勞修斯和開爾文分別提出了熱力學(xué)第二定律的兩種表述：克勞修斯

克勞修斯表述：不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。

這一表述闡述了熱量傳遞的方向性，并不是熱量不能從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，只是熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。

表述中的“不引起其他變化”是指外界不需要做功。如果外界做了一定的功，把熱量從低溫物體傳到高溫物體是完全可能的。

電冰箱通過電流做功，把熱量從冰箱內(nèi)溫度較低的冷凍室、冷藏室傳到冰箱外溫度較高的空氣中，但這一過程要消耗電能，即引起了“其他變化”。熱機(jī)是消耗內(nèi)能對外做功的一種裝置。

熱機(jī)必須工作在兩個(gè)溫度不同的熱源之間，通過工作物質(zhì)，將從高溫?zé)嵩次盏臒崃?，一部分用來對外做功，另一部分傳給低溫?zé)嵩?。例如，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火力發(fā)電站和核能發(fā)電站的蒸汽輪機(jī)等都是熱機(jī)。

熱機(jī)工作時(shí)，向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃客耆珦p耗掉了，而損耗的熱量不可能再自動(dòng)地收集起來。因此，熱機(jī)對外做的功W總是小于其從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌。物理學(xué)中，把熱機(jī)對外做的功跟它從高溫?zé)嵩次盏臒崃康谋戎捣Q為熱機(jī)的效率，用η表示，即由此可見，熱機(jī)的效率開爾文

開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全用來做功而不引起其他變化。

這一表述闡述了功熱轉(zhuǎn)化的方向性。事實(shí)上，不是熱不能完全轉(zhuǎn)化為功，而是在不引起其他變化或不產(chǎn)生其他影響的條件下，吸收的熱量不能完全用來對外做功。

理想氣體經(jīng)等溫膨脹過程，系統(tǒng)內(nèi)能不變，系統(tǒng)吸收的熱量全部對外做功，但引起了其他變化，即系統(tǒng)的體積膨脹了。指溫度恒定而均勻的熱源

指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而外界及系統(tǒng)都不發(fā)生任何變化。

這種從單一熱源吸取熱量并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其他變化的機(jī)器稱為第二類永動(dòng)機(jī)。

第二類永動(dòng)機(jī)雖然不違背熱力學(xué)第一定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，也不可能實(shí)現(xiàn)的。所以，熱力學(xué)第二定律也可以表述為：第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的