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

3.4 热力学第二定律 覆水难收 水往低处流 能量转化过程的方向性（不可逆性） 热学过程的方向性（不可逆性） 物体间的传热： 温度由高到低 有摩擦的机械运动： 由功到热 热学过程的方向性（不可逆性） 气体膨胀： 只能自发地向低压空间膨胀 体积由小到大 扩散现象： 只能自发地由密度大的区域向密度小的区域扩散 一、热力学第二定律 1. 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 在不引起其他变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。 热量可以从低温物体传到高温物体，但会引起其他变化，比如冷机做功。 热量只能自发地从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到物体的低温部分。 热传递具有方向性（不可逆性） 一、热力学第二定律——制冷机 高温热库T1 低温热库T2 Q1：向高温热库放出的热量 Q2：从低温热库吸收的热量 W：外界所做的功 制冷机 制冷机的工作原理 Q1=Q2+W 不存在W→0，Q2/W→∝的制冷机器。 该机器在一个循环动作完成后，外界没有变化，唯一的结果是把Q2从低温物体传送到高温物体。 其他变化 一、热力学第二定律 2. 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。 不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 机械能与内能的转化过程（功变热）具有方向性（不可逆性） 机械能：可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。 功  热：可自动发生 如：摩擦生热、焦耳实验 热  功：不可自动发生 如：焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使重物升高 内能：不可以全部用来做功，转化为机械能。 一、热力学第二定律——热机 高温热库T1 低温热库T2 Q1：从高温热库吸收的热量 Q2：向低温热库放出的热量 W：对外界所做的功 热机 热机的工作原理 Q1=Q2+W 热机的效率总是小于100%，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。 其他变化 一、热力学第二定律——热机 阶段二：工作物质对外做功 工作物质的内能→机械能 阶段一：燃烧燃料 燃料的化学能→工作物质的内能 热机在工作过程中必然排出部分热量， 热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量 一、热力学第二定律——电冰箱 低温 冰箱内的食品 高温 冰箱外的空气 自发传递热量 外界做功 压缩机消耗电能 停止供电 一、热力学第二定律 3. 热力学第二定律的本质 揭示了大量分子参与宏观过程的方向性： 一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的。 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。 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 热传递的方向性 机械能与内能转化过程的方向性 适用宏观过程，不适用微观过程，如：布朗运动 适用孤立系统、有限范围，不适用整个宇宙 一、热力学第二定律 克劳修斯表述与开尔文表述是等价的， 违背克劳修斯表述一定违背克劳修斯表述。 如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同另一个制冷机组成复合机，其总效果相当于一个无功制冷机，克劳修斯表述不成立。 一、热力学第二定律 热力学第一定律：与热现象有关的物理过程中，能量守恒的特殊表达形式， 说明功、热量、内能变化量之间的定量关系。 热力学第二定律：指出了能量转化与守恒的实现条件和过程进行的方向， 一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响。 4. 热力学第一定律 & 热力学第二定律 违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。 一、热力学第二定律 5. 第二类永动机 如果一台热机，效率 ，热机从单一热源吸取的热量Q1全部变为功W 而不产生其它影响，即Q2＝0。此时，热机的效率η＝1(100%)， 这类热机称为第二类永动机。 第二类永动机是不可能制成的 二、能源是有限的 化学能 → 电能 电能 → 内能和光能 → 耗散在环境中 能量虽然在数量上守恒，但其转移和转化却具有方向性 1. 能量耗散：能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能， 无法把这些内能收集起来重新利用。 二、能源是有限的 虽然能量的总量保持守恒，但能量的品质下降，能源逐步减少，因此能源是有限的资源。 高品质：机械能、光能、化学能、电能 低品质：内能 转化方向不可逆 2. 品质降低 拓展：熵与熵增加原理 实验现象：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。 1. 自然界的很多过程是不可逆的 拓展：熵与熵增加原理 1. 自然界的很多过程是不可逆的 微观解释：设想开始时有4个气体分子分布在A中。如果没有隔板，对于这4个分子中的每一个都有两种可能性，即它处在A中，或处在B中。4个分子共有24＝16种可能的分布。 这16种分布中的每一种是一种微观态。自由膨胀前，只有一个微观态，即4个分子都在A中。自由膨胀后，16个微观态都可能实现。自由膨胀前的宏观态只包含第一个微观态，自由膨胀后的宏观态包含16个微观态。假定实现每一微观态的概率是相等的，则自由膨胀后回复到自由膨胀前状态的概率为1/16。 拓展：熵与熵增加原理 1. 自然界的很多过程是不可逆的 一般来说，如果A中气体数量为N个，则自由膨胀后的气体要回复到自由膨胀前的概率为1/2N。实际上，气体内的分子数很大，因此自由膨胀的气体要自发地回复到膨胀前的状态实际上是不可能的。 拓展：熵与熵增加原理 1. 自然界的很多过程是不可逆的 相对于膨胀后的状态，物理学中把气体膨胀前的状态称作有序状态，而气体自由膨胀后的状态变得更混乱与无序，称作无序状态。 一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。 2. 熵 1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用于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。 拓展：熵与熵增加原理 4. 热力学第二定律的微观解释：统计规律 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。 3. 熵增加原理 一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。 3.4 热力学第二定律 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 $$