3.4 热力学第二定律（同步课件）-2023-2024学年高二物理同步精品课堂（人教版2019选择性必修第三册）

§4 热力学第二定律 第三章 热力学定律体 目录 CONTENTS 热力学第二定律 01 熵与熵增加原理 能源是有限的 03 02 观察与思考： 一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？ 思考与讨论： 能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或能量消失的过程是不可能出现的。 1.符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？ 2.你是否可以举例证明你的观点？ 思考与讨论： 融化的冰糕，是否可以在同温下是否可以重新凝固？ 撒了气的气球，是否可以自发的把散掉的气体重新收集起来？ 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。 共同特征： 无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，我们也从未见到它们会自发地进行。这就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 热力学第二定律 01 1．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 一、热力学第二定律 （1）在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。 （2）热量可以从低温物体传到高温物体上，但会引起其它变化，比如冷机做功。 （3）克劳修斯表述阐述的是热传递的方向性。 2.诠释： （Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日） 电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢？ 思考与讨论： 一、热力学第二定律 第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能； 第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。 热机工作的两个阶段： 一、热力学第二定律 3．热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响。 （1）不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 （2）机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。 （3）开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。 4.诠释： 开尔文 一、热力学第二定律 5．热力学第二定律的两种表述是等价的。 如果克劳修斯表达不成立，则开尔文表述也不成立。 一、热力学第二定律 6．与热力学第一定律的比较：   热力学第一定律 热力学第二定律 区别 是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机 联系 两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 思考与讨论： 在水平地面上滚动的足球，摩擦力做负功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时产生的热量散失在周围的环境中。会不会有这样的现象∶静止在水平地面上的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来? 能源是有限的 02 二、能源是有限的 能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。在各种各样的活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能……最终都转化成内能，流散到周围的环境中。 根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。 能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 熵与熵增加原理 03 三、熵与熵增加原理 自然界的很多过程是不可逆的 例如，一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空。抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。 1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。 在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。 课堂练习 04 1．