3-3 熱力學第二定律 課件 高中物理新教科版選擇性必修第三冊（2022~2023學年）

第3章熱力學定律新教科版高中物理選擇性必修第三冊第3節(jié)熱力學第二定律觀察與思考：

一滴紅色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變紅。從系統(tǒng)的角度來看，擴散之前是一種狀態(tài)，擴散后是另一種狀態(tài)。那么，水中擴散后的顏料能否自發(fā)地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？思考與討論：

能量守恒定律告訴我們，在自然界發(fā)生的一切過程中能量都是守恒的，一個導致能量創(chuàng)生或能量消失的過程是不可能出現(xiàn)的。1.符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發(fā)地進行嗎？2.你是否可以舉例證明你的觀點？思考與討論：融化的冰糕，是否可以在同溫下是否可以重新凝固？撒了氣的氣球，是否可以自發(fā)的把散掉的氣體重新收集起來？在物理學中，反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學第二定律。共同特征：

無數(shù)事實告訴我們，凡是實際的過程，只要涉及熱現(xiàn)象，都有特定的方向性。這些過程可以自發(fā)地朝某個方向進行，而相反的過程，即使不違背能量守恒定律，我們也從未見到它們會自發(fā)地進行。這就是說，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。1．熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。一、熱力學第二定律（1）在不引起其它的變化的條件下，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。（2）熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，但會引起其它變化，比如冷機做功。（3）克勞修斯表述闡述的是熱傳遞的方向性。2.詮釋：（RudolfJuliusEmanuelClausius，1822年1月2日－1888年8月24日）

電冰箱通電后箱內(nèi)溫度低于箱外溫度，并且還會繼續(xù)降溫，直至達到設(shè)定的溫度。顯然這是熱量從低溫物體傳遞到了高溫物體。這一現(xiàn)象是否違背熱力學第二定律呢？思考與討論：一、熱力學第二定律第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能；第二個階段是工作物質(zhì)對外做功，把自己的內(nèi)能變成機械能。熱機工作的兩個階段：

一、熱力學第二定律3．熱力學第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。（1）不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。（2）機械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但這個過程是不可逆的。（3）開爾文表述闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。4.詮釋：開爾文一、熱力學第二定律5．熱力學第二定律的兩種表述是等價的。如果克勞修斯表達不成立，則開爾文表述也不成立。一、熱力學第二定律6．與熱力學第一定律的比較：

熱力學第一定律熱力學第二定律區(qū)別是能量守恒定律在熱力學中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程、化學過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)，從而否定了第二類永動機聯(lián)系兩定律都是熱力學基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律，二者既相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎(chǔ)思考與討論：

在水平地面上滾動的足球，摩擦力做負功，其動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終停了下來，同時產(chǎn)生的熱量散失在周圍的環(huán)境中。會不會有這樣的現(xiàn)象∶靜止在水平地面上的足球和地面、周圍的空氣自發(fā)地降低溫度釋放內(nèi)能，并將釋放出的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為足球的動能，讓足球又滾動起來?二、能源是有限的能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性。在各種各樣的活動中，機械能、電能、光能、聲能、化學能、核能、生物能……最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中。根據(jù)熱力學第二定律，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能自動聚集起來驅(qū)動機器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)下降了。雖然能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。三、熵與熵增加原理自然界的很多過程是不可逆的

例如，一個容器被隔板均分為A、B兩部分，一定量的氣體處于容器A中，而B為真空。抽取隔板K，A中的氣體就會擴散到B中，最后整個容器的A、B兩部分都均勻地分布了這種氣體。這個過程顯然是不可逆的。1850年，克勞修斯首次提出熵的概念，熵可用來表達一個系統(tǒng)的無序程度，系統(tǒng)從有序向無序的發(fā)展過程中熵在增加。在物理學中，不與外界進行物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)叫作孤立系統(tǒng)。在自發(fā)過程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展，即一個孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的，這就是熵增加原理。1．下列過程中，可能實現(xiàn)的是（）A．水的溫度自動下降時釋放的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能B．內(nèi)燃機氣缸內(nèi)氣體的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能C．在粗糙水平面上運動的物體，它的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使物體溫度升高D．靜止在光滑水平面上的物體，溫度降低時釋放的內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為物體的動能，使物體運動起來C【答案】C【詳解】AB．根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性可知，物體溫度下降釋放的內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全轉(zhuǎn)化為機械能，故AB錯誤；C．在粗糙水平面上運動的物體，它的動能會轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使物體溫度升高，故C正確；D．靜止在光滑水平面上的物體，溫度降低時釋放的內(nèi)能在沒有特定的情況下會向周圍釋放，并不會使物體運動起來，故D錯誤。故選C。2．根據(jù)熱力學第二定律，下列說法中正確的是（）A．不可能從單一熱源吸熱并把它全部用來做功，而不引起其他變化B．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機是可以實現(xiàn)的C．制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣而不引起其他變化D．在火力發(fā)電中，燃氣的內(nèi)能不可能全部變成電能AD【答案】AD【詳解】A．熱力學第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，故A正確；B．機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機械能必須有外界的幫助，故B錯誤；C．冰箱向外傳遞熱量時消耗了電能，故C錯誤；D．火力發(fā)電時，能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機械能→電能，因為內(nèi)能向機械能轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內(nèi)能必然不會全部變?yōu)殡娔?，故D正確。故選AD。3．關(guān)于制冷機制冷過程的說法中，正確的是（）A．此過程違反了熱力學第二定律B．此過程沒有違反熱力學第二定律C．此過程違反了能量守恒定律D．此過程沒有違反能量守恒定律BD【答案】BD【詳解】AB．制冷機可以從低溫物體吸收熱量傳給高溫物體，但必須消耗電能，熱力學第二定律并不否認熱量可從低溫物體傳給高溫物體，只是該過程會產(chǎn)生其他影響，A錯誤，B正確；CD．任何自然和物理過程都不違反能量守恒定律，C錯誤，D正確。故選BD。4．對于熱力學定律，下列說法中正確的是（

）A．第一類永動機不可能實現(xiàn)，因為它違背了能量守恒定律B．熱力學第一定律指出，一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做功的和C．熱力學第二定律指出，不能從單一熱庫吸熱全部用來對外做功而不產(chǎn)生其他影響D．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，違背了熱力學第二定律ABC【答案】ABC【詳解】A．第一類永動機既不消耗能量又能源源不斷地對外做功，違背了能量守恒定律，所以不可能制成，故A正確；B