3.4 热力学第二定律 （备课堂）-【上好课】2020-2021学年高二物理同步备课系列（粤教版选修3-3）

粤教版 高中物理选修3-3 第三章 根据能量守恒定律，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的。那么符合能量守恒的宏观过程是否都能发生呢？ 问题一：将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？ 铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同． 引入 热量会自发地从高温物体传给低温物体,从而使低温物体升温，高温物体温度降低. 思考：将烧红的铁块投入水中，结果会不会铁块温度更高，水的温度更低？ NO 不可逆 热传导的方向性 高温物体 低温物体 自发 自发 × 方向性 满足能量守恒的过程不一定都能发生 热传递的过程是有方向性的，热量可以自发地从高温物体向低温物体传递。 思考：如何实现热量从低温物体传给高温物体？ 1.接通电源，冰箱消耗电能，使得压缩机工作，氟利昂不断液化、汽化。 2.断开电源，冰箱停止工作，外界热量又会自发地传给冰箱。 借助外界的做功 热传导的方向性 电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？ 热力学第二定律的克劳修斯表述 自发：发生热传递的两个物体不需要外界帮助，也不需要外界环境变化。 高温物体 低温物体 自发（方向性） 外界做功； 外界环境变化 自发 × 低温物体 高温物体 热力学第二定律：热量不能自动地从低温物体传递到高温物体； 或者：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。 一辆汽车在水平地面上滑行，由于克服摩擦力做功，最后要停下来.在这个过程中，物体的机械能转化为内能，使物体和地面的温度升高. 机械能和内能转化过程的方向性 * 降温 我们能不能看到这样的现象：一辆汽车靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使汽车运动起来． 不可逆 机械能和内能的转化过程具有方向性 自发 全部 自发 全部 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（second law of thermodynamics). 共同特征： 概念：从单一热源吸收热量，全部用来做功而不引起其它变化。（马儿吃草全部消化吸收） 结果：无一例外地归于失败。 原因：违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律（热力学第二定律）。 第二类永动机 由能量守恒定律知道 Q1 = W +Q2 高温热库 低温热库 Q1 Q2 对外做功 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。 机械能与内能转化的方向性的进一步讨论 热机的效率 热机 冷凝器 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化. 第二类永动机 第二类永动机：从单一热源吸热全部用来做功，而不引起其他变化的热机。 失败 在不产生其他影响的条件下， ‘热’不能全部变为‘功’ 热源 热机 热力学第二定律的开尔文表述 热力学第二定律：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。 说明： 开尔文表述中强调了“不产生其他影响” ，指不需要外界的影响和帮助， ‘热’不能全部变为‘功’。 克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性; 开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性; 两种表述是等价的。可用反证法证明。 两种表述的实质 热力学第二定律的微观实质 有序 无序 1.热传导过程是使物体内部分子的热运动由比较有序的状态向无序的状态转化的过程. 真空 气体 气体扩散 冷 热 等 温 无序 有序 有序 无序 宏观态1 红黑+序号 宏观态2 红黑 宏观态3 任意 1、比较3种宏观态（排列方式）的有序程度。 2、观察宏观态的有序程度与什么有关？无序有什么特点？ 3、哪种宏观态更容易实现？ 宏观态对应的微观态数量多→显得无序。 宏观态对应的微观态数量少→显得有序。 热力学第二定律的微观实质 (1)一切自发过程总是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程. (2)自发过程是不可逆转的过程,即不可能使大量分子无规则的热运动转化为有序的运动. (3)大量分子无序运动状态变化的方向是向无序性增大的方向进行的,而一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行的. 熵的意义 熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态,也就是出现概率较大的宏观状态. 描述物体的无序程度,物体内部分子热运动无序程度越高,物体的熵就越大. 用熵表示的热力学第二定律 在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少. 熵 在自发过程中,熵总是增加的. 克劳修斯： 1.下列说法正确的是 ( ) A．在自然条件下，热传递的过程是不可逆的 B．热量不可能由高温物体传递给低温物体 C．气体的扩散过程具有方向性