3.4 热力学第二定律 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

4.热力学第二定律 煮鸡蛋 问题1: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 问题2:满足能量守恒过程是否都能实现呢？ 热现象 结论：无数事实告诉我们：凡是实际的过程，只要涉及热现象，如热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动都有特定方向。也就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的(对现实的总结)。 反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。 扩散现象 气体膨胀 一、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. 克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的(自发) 思考1:热量一定不能从低温物体传到高温物体吗？ 热量可从低温物体传到高温物体，但一定要产生其他影响(即要有第三者介入) 思考2:冰箱不通电，会制冷吗？ 制冷系统 (冷凝器) 1.自发情况下，热量只能从高温到低温 2.非自发情况下(即要有第三者介入),热量可从低温物体传到高温物体，但一定要产生其他影响(第三者) 热力学第二定律 阅读教材回答：什么是热机？热机效率能否达到100%？ 热机:是一种把内能转化为机械能的装置。 柴油机 汽缸 燃料产生的热量Q 输出机械功W 漏气热损 散热热损 摩擦热损 热机在工作过程中，从单一热库吸收的热量不可能完全用来做功(总有热量损失)， (高温热库T1) 低温热库T2（大气） 思考:若可从多个热库吸收热量，可否把某个热库的热量全部变成功？ 能，但必须要产生其他影响（其他热裤能量减少） 二、热力学第二定律的开尔文表述： 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响(变化）。 开尔文表述也指明了：机械能与内能的转化具有方向性 注意:开尔文描述不是说吸收的热量不能完全变成功，而是说要完全变成功，一定会引起其他变化 机械能可以全部转化为内能，内能却不能在不引起其他变化的情况下全部转化成机械能. 三、热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文表述是等价的 克劳修斯表述：按热传递的方向性来表述 开尔文表述：是按机械能与内能转化过程的方向来表述。 它们的实质是相同的，都讲的是一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，具有一定的方向性。 什么是第二类永动机？ 1.能够从单一热源吸收热量,全部用来做功,而不引起其它变化的机器 2.第二类永动机不可能制成！ 第一类永动机的设想违反了能量守恒定律；第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律，但违背了热力学第二定律）。 3.第一类永动机和第二类永动机区别 它违背了热力学第二定律 1. (多选)根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是(　　) A.热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体 B.热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体 C.机械能可以全部转化为内能 D.内能可以全部转化为机械能而不引起其他变化 BC 2. (多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是(　　) A.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化 B.没有冷凝器，只有单一的热库，能将从单一热库吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的 C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化 D.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 　AD 能量的转移和转化具有方向性：在各种生产生活中，人们利用的各种形式的能最终都转化成内能流散到周围的环境中。我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。 机械能、光能、化学能、电能等，我们很容易利用称为高品质能量。内能利用比较困难为低品质能量，且能量都是自发的向低品质方向进行的.所以能源其实是指具有高品质的容易利用的储能物质， 例如石油、天然气、煤等。但是它们的存量不多,所以要节约资源。 四.能源与能量耗散 既然能量是守恒的，为什么我们还要节约呢？ 热力学第一定律和热力学第二定律的比较 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，能量可以转化或转移，从而否定第一类永动机 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，同时它表明内能与其他形式能量转化时的方向性，从而否定了第二类永动机 联系 两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 1. (多选)关于能量和能量耗散，下列说法正确的是(　　) A.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性 B.能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的 C.能量的总量守恒，不会消失，所以没有必要节约能源 D.能量之间可以相互转化，故能源循环利用很方便 AB 2. 关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是(　　) A.第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律 B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律 C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能 D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的 D 3. 关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是(　　) A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的 B.内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾 C.两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别 D.能量守恒定律包含了热力学第一定律和热力学第二定律 B 1.抽取隔板，封闭气体将会怎样？ 自由膨胀 2.气体会自发的回到初始状态吗？ 分析说明：自由膨胀不可逆 为什么自由膨胀不可逆呢？ 真空 封闭气体 1.有序:只要确定了某种规则,符合这个规则的就叫做有序 2.无序:不符合某种确定规则(或没有规则)的称为无序 一.有序和无序 说明: 1.有序和无序是相对的 2.无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。 二.宏观态和微观态 1.宏观态:在统计物理中，在系统分子数不变的情况下,以系统的分子数分布来描写的系统状态叫热力学系统的宏观态。 2.微观态:在宏观状态下(分子数分布一定的情况下), 区分具体的分子来描写的系统状态叫热力学系统的微观态。 (不均衡). (均衡). 五.热力学第二定律的的微观解释 1.情境：理想气体向真空中自由膨胀(自发)简化模型： 2.理论分析 宏观态 对应微观态的个数 宏观态出现的概率 左0右4 左1右3 左2右2 左3右1 左4右0 每一个宏观态都对应着一个或多个微观态。某宏观态对应的微观态个数越多，这个宏观态发生的概率就越大，就越无序 2.一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。 若分子数为有许多个呢? 结论:1.分子回到初态的概率极小，意味着此事件永远不会发生(不可逆)。 阅读教材,什么熵？熵有何作用？ 如何定量描述宏观态的无序性(均衡)？ 四.熵 :是反映系统无序程度(均衡性)的物理量，符号S 系统越混乱,系统无序程度越大(越均衡)，则这个系统的熵越大 熵:S=klnΩ 热力学第二定律的熵表述： 在任何自然过程(自发)中，一个孤立系统的总熵不会减小(熵增加原理) k表示玻耳兹曼常量， Ω表示一个宏观状态所对应的微观态的数目， 1..下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　　) A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律 B．一切自发过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行 C．有的自发过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自发过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行 D．在任何自发过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 AD 2.(多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是(　　) A.大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动 B.热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程 C.热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程 D.一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 CD $$