3.4 热力学第二定律 课件-2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

热力学第二定律 郭雪鹏 临泉一中 4 4 2 情境1.破碎的盘子恢复原状，其他事物回到初始状态。若能发生，违反能量守恒定律吗？ 情境2.原来温度相同的水和鸡蛋，过一会水的温度自发降低而鸡蛋温度上升,生蛋变成了熟蛋. 若这些现象发生了，违反能量守恒定律吗？ 3 3 一、热力学第二定律 自然界发生的一切过程都遵守能量守恒定律. 不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生. 涉及热现象的过程有特定的方向性，只能朝着某一特定方向进行.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的. 4 5 理想气体向真空自由膨胀能发生，但不会发生气体分子自动聚集于容器一侧，另一侧变为真空。 扩散过程是不可逆过程.NO2气体分子不会均自发返回到下方集气瓶。 克劳修斯表述: 热量不能自发地从低温物体传到高温物体. 思考与讨论：电冰箱将热量向外界传递，违反热力学第二定律吗？如何解释？ 6 “自发”指的是两个物体接触，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。当两个温度不同的物体接触，热量总是自发从高温物体传向低温物体. 6 克劳修斯表述: 热量不能自发地从低温物体传到高温物体. “自发”指：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入，也不会对其他物体产生影响。 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他影响. 7 “自发”指的是两个物体接触，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。当两个温度不同的物体接触，热量总是自发从高温物体传向低温物体. 7 8 制冷机模型 热量可以从低温热源传到高温热源，但必须付出代价.(例如压缩机必须做功) 9 高温热源 低温热源 Q2 Q1 W Q2=Q1+W 热机工作模型： 10 高温热源 低温热源 Q1 Q2 W 法国工程师卡诺从理论上研究了一切热机的效率问题，蒸汽机原则上产生的机械功依赖于锅炉与冷凝器的温度差以及工作物质从锅炉吸收的热量. 10 大量事实表明：在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变为有用功，不可避免地将一部分热量传给低温热源. 没有漏气热损和摩擦热损等损失，高温热源放出的热量也不可能全部转化为机械功，必然要向低温热源释放部分热量， 11 开尔文表述(1851年)： 不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响. “单一热源”指温度均匀并且恒定不变的热源.“其他影响”指除了由单一热源吸热，把所吸的热用来做功以外的其他变化. 12 开尔文表述阐述了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化为机械能(而不产生其他影响)。 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。 13 例 题 理想气体与单一热源接触做等温膨胀.由于温度不变，气体内能不变。根据热力学第一定律，有Q=-W 即气体吸收的热量全部用来对外界做功.这违反热力学第二定律吗？ 不违反.吸收的热量虽然全部用来对外做功，但产生了其他影响，理想气体体积膨胀. 14 永动机表述： 第二类永动机不可能造成. 第二类永动机是指能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器. 第二类永动机不违反能量守恒定律，但不可能制成，违反热力学第二定律。 15 热力学第二定律是总结概括大量事实提出的，是独立于热力学第一定律的新规律.热力学第二定律作出的推论都与实践结果符合说明热力学第二定律的正确性.热力学第二定律本质上阐明在一切与热现象相联系的自然现象中自发实现的过程都是不可逆的。 16 热力学第二定律只对有限范围内的宏观过程成立，不适用于少量分子的微观体系，也不适用无限的宇宙. 16 二、能源是有限的 自然界中的能量守恒，不会减少，也不会增加。但机械能、光能、电能转化为热能后，流失到环境的热能不能再被人类利用，能量的品质降低，这样的转化过程叫“能量耗散”。 重力势能、电能、化学能、核能等能量品质较高，热能能量品质降低，能量的品质只能单向降低。 17 能源是指具有高品质的容易利用的储能物质。能源是有限的资源，逐减减少。 热力学第二定律说明节约能源的重要性。 18 三、熵与熵增加原理 问题：箱子分成左、右两部分.为方便分析，假设有4个气体分子，标为A、B、C、D. (1)左侧4个，右侧0个分子，有几种组合方式？ (2)左、右侧各有2个分子，有多少种组合？ (3)左侧3个、右侧1个分子，有几种组合方式？ (4)左侧0个，右侧4个分子，有几种组合方式？ 19 20 A D C B 左4右0 1种 A D C B B D C A C D B A D C B A 左3右1 4种 21 A D C B A D B