3.3 热力学第二定律 课件 -2022-2023学年高二上学期物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

3.3热力学第二定律 覆水难收、破镜难圆。水从高山流到河谷，不可能自动地流回高处；一滴墨水滴入一杯清水，最终会均匀地扩散开来，不可能再自动地凝成一滴墨水。 1、可逆过程与不可逆过程 一杯开水放在空气中，温度会逐渐降低，最后与室温相同。 要使水温度升高，就必须给它加热，消耗外界的能量。 众多现象表明：自然界中与热现象有关的宏观过程不可能自动地逆向进行。要使它们逆向进行，就必须由外界对它们施加影响。 一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。 如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。 热量可自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分。但是，从未发现过热量自发地由低温物体传给高温物体，或由物体的低温部分传给高温部分，尽管这样的过程并不违背热力学第一定律。 热传递是不可逆过程，具有方向性。 转动着的飞轮在撤除动力后，会因摩擦而逐渐停下来。在这一过程中，机械能转化为内能，轴和飞轮的温度升高。而相反的过程（即轴和飞轮自动地冷却，内能重新转变为机械能而使飞轮转起来）却不会发生，尽管它并不违背热力学第一定律。 在焦耳的叶轮搅水实验中，重物可自动下落，使叶轮在水中转动，与水相互摩擦使水温上升，这是机械能转化为内能的过程。与此相反的过程，即水温自动降低，产生水流，推动叶轮转动，带动重物上升的过程是不可能发生的，尽管这样的过程不违背热力学第一定律。 功热转化这一热现象是不可逆的，具有方向性。 热传递是内能的转移过程 功热转化是内能的转化过程 过程不可逆 凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。 2、热力学第二定律及第二类永动机 为了阐明自然过程发生的方向，在大量研究的基础上，克劳修斯和开尔文分别提出了热力学第二定律的两种表述： 克劳修斯 克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。 这一表述阐述了热量传递的方向性，并不是热量不能从低温物体转移到高温物体，只是热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。 表述中的“不引起其他变化”是指外界不需要做功。如果外界做了一定的功，把热量从低温物体传到高温物体是完全可能的。 电冰箱通过电流做功，把热量从冰箱内温度较低的冷冻室、冷藏室传到冰箱外温度较高的空气中，但这一过程要消耗电能，即引起了“其他变化”。 热机是消耗内能对外做功的一种装置。 热机必须工作在两个温度不同的热源之间，通过工作物质，将从高温热源吸收的热量，一部分用来对外做功，另一部分传给低温热源。 例如，汽车的发动机、飞机的喷气发动机、火力发电站和核能发电站的蒸汽轮机等都是热机。 热机工作时，向低温热源放出的热量完全损耗掉了，而损耗的热量不可能再自动地收集起来。因此，热机对外做的功W总是小于其从高温热源吸收的热量Q。物理学中，把热机对外做的功跟它从高温热源吸收的热量的比值称为热机的效率，用η表示，即由此可见，热机的效率 开尔文 开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化。 这一表述阐述了功热转化的方向性。事实上，不是热不能完全转化为功，而是在不引起其他变化或不产生其他影响的条件下，吸收的热量不能完全用来对外做功。 理想气体经等温膨胀过程，系统内能不变，系统吸收的热量全部对外做功，但引起了其他变化，即系统的体积膨胀了。 指温度恒定而均匀的热源 指唯一效果是热量全部转变为功，而外界及系统都不发生任何变化。 这种从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不引起其他变化的机器称为第二类永动机。 第二类永动机虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律，也不可能实现的。所以，热力学第二定律也可以表述为：第二类永动机是不可能实现的。 历史上曾有人梦想制造一种机器，它可直接从海洋或大气中吸取热量，使之完全转变为机械功。他们认为，海洋和大气的热量是取之不尽的，因而这种机器可永不停息地运转做功。 谢谢！ $$