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

第三章 热力学定律 第4节 热力学第二定律 02 主题二、热力学第二定律 01 主题一、宏观过程的方向性 目录 CONTENTS 03 主题三、热力学第二定律微观解释 第4节 热力学第二定律 04 主题四、能量耗散 新课引入： 一切自然过程必须符合能量守恒定律，那么符合能量守恒的宏观过程是否都能发生呢？ 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变，这就是能量守恒定律。 热量可以自发的从高温传给低温物体。 热量可不可以自发的从低温物体传给高温物体？ 不可以 热量可不可以从低温物体传给高温物体？ 可以 , 电冰箱 新课引入： 电冰箱的内部温度比外部温度低，致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气 F F 气体可以自发膨胀到真空中 气体可不可以自发回到左边形成真空呢？ 不可以 气体可不可以回到左边形成真空呢？ 可以 新课引入： 红色颜料可以返回到原有状态，使水变清吗？ 新课引入： 一滴红色颜料可以自发均匀自发扩散到水中， 红色颜料可以自发返回到原有状态，使水变清吗？ 不可以 可以 , 过滤网 一个在水平地面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能全部自发的转化成为内能。 我们能不能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来。 不可以 内能能不能转化为动能？ 可以 蒸汽机、内燃机 新课引入： 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。然而，并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行。 无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，如物体间的热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动……都有特定的方向性。 新课引入： 第一部分 宏观过程的方向性 一、宏观过程的方向性 2.表现： 1.内容：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 热传递具有方向性 扩散具有方向性 机械能与内能转化具有方向性 气体向真空中膨胀具有方向性 凡是与热现象有关的过程都具有方向性，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行。 要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。 德国物理学家和数学家克劳修斯(热力学的主要奠基人之一)敏锐的察觉到能量在转化或转移过程中，不仅总量遵循守恒，还存在方向性的问题。1850年首次明确指出热力学第二定律的基本概念。 一、宏观过程的方向性 第二部分 热力学第二定律 1.克劳修斯表述: 二、热力学第二定律 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 ＊克劳修斯表述意义 : 阐述的是传热的方向性。是用否定语句表述的（绝大多数物理定律都是用肯定语句表述的），它告诉我们什么样的过程不可能发生。 内能能不能转化为机械能？ 机械能 内能 自发 机械能 内能 自发 × 可以 , 热机 蒸汽轮机 蒸汽机 柴油机 喷气发动机 汽油机 热机：是一种把内能转化为机械能的装置。 热机的工作分为两个阶段 ：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。 14 热源 冷凝器或大气 吸热 Q 1 放热 Q 2 热机 做功W 效率η= w Q1 英国物理学家开尔文(1824-1907)敏锐的察觉出：热机自己是无法把从单一热源吸收的热量Q1全部用来做功的。 热机：是一种把内能转化为机械能的装置。 把气缸做成绝热气缸，不就可以不向外放热了吗？这样不就可以全部用来做功？ 吸收的热量Q，一部分用来对外做功W，自己温度必升高，从而来增加自己的内能 开尔文 威廉·汤姆逊(1824-1907)即开尔文：因为他在科学上的成就和对大西洋电缆工程的贡献，获英女皇授予开尔文勋爵衔,后世改称他为开尔文.他对热力学第一定律及热力学第二定律的建立作出重大的贡献。他利用卡诺循环建立绝对温标 ，他重新设定水的熔点为273.7度；沸点为373.7度。为了纪念他的贡献，绝对温度的单位以开尔文 (Kelvin, K) 来命名。 他在1851年发表题为“热动力理论”的论 文，敏锐的察觉出机械能可以全部自发的转化 成内能，但内能不能全部自发的转化为机械能， 写出热力学第二定律的开尔文表述，被称为现 代热力学之父 热机：是一种把内能转化为机械能的装置。 2.开尔文表述: 1.克劳修斯表述: 二、热力学第二定律 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 不可能从单一热库吸收的热量，使之完全变成功，而不产生其它影响 思考：气体做等温缓慢膨胀能将吸收的热能，全部用来对外做功吗？ 在恒温水中缓慢上升的气泡 但是它有一个不可消除的影响就是体积增加了，要恢复体积，必须再对它额外做功。 答案：是的 2.开尔文表述: 1.克劳修斯表述: 二、热力学第二定律 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 不可能从单一热库吸收的热量，使之完全变成功，而不产生其它影响 注意：①两种表述实质是相同的，都涉及是与热现象有关的宏观过程，表明这些过程具有方向性。开尔文表述否定了效率百分百的热机(第二类永动机) ②各种能量都有自发的向内能转化的倾性。不能再自动聚集起来加以利用，由此开尔文提出了:宇宙热寂说。 ③现代理论表明热力学第二定律不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。 3.其它表述: ①气体向真空中膨胀不可逆 2.开尔文表述: 1.克劳修斯表述: 二、热力学第二定律 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 不可能从单一热库吸收的热量，使之完全变成功，而不产生其它影响 思考：那为什么与热现象有关的宏观过程不可逆呢？ ②两种物质的扩散不可逆 ③第二类永动机不可能制成 第三部分 热力学第二定律微观解释 假设只有4个分子在A部，抽出隔板后将向B部扩散。4分子在容器中可能的分布情形如下图所示： 宏观分布 详细分布 1 4 6 4 1 (微观态) (宏观态) 三、热力学第二定律的微观解释 思考：微观态共有多少种可能的方式？ 24=16种 4个分子全部退回A部的几率为: 1/24 若有N个分子，则N个分子全部退回得几率为: 1/2N 微观态共有24=16种可能的方式，而且1/24=1/16。 一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N。对于真实理想气体系统N≈1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为1/21023。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作 的意义上说，不可能发生此类事件 对单个分子或少量分子来说，它们 扩散到B部的过程原则上是可逆的。 对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。 有序 无序 三、热力学第二定律的微观解释 按花色及大小排列 我们说它是有序的 有序和无序 洗牌后变为无序 三、热力学第二定律的微观解释 有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫有序。 无序：不符合某种确定规则的称为无序。 有序和无序 三、热力学第二定律的微观解释 24 无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。 有序和无序是相对的 有序 无序 有序和无序 三、热力学第二定律的微观解释 一个系统的个体按确定的_________，有顺序地排列即有序；个体分布_____确定的要求，“怎样分布都可以”即无序。 系统的_____状态即宏观态，系统内个体的_______分布状态即微观态。一个“宏观态”对应的“微观态”_______，就说这个“宏观态”是_________的。 某种规则 没有 宏观 不同 比较多 比较无序 三、热力学第二定律的微观解释 1.有序和无序: 2.宏观态和微观态: 孤立系统(与外界无能量、无物质交换的系统)内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。 ①自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。 ②一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。 三、热力学第二定律的微观解释 3.热力学第二定律的统计表述: 高温物体 低温物体 温度 相同 有序 无序 热传递不可逆 自由膨胀不可逆 注意：宏观自发过程总是由微观态个数少的向个数多的方向发展 三、热力学第二定律的微观解释 28 宏观态的名称 对应的微观态的个数 人们对宏观态的描述 过程自发进行的方向 甲 较少 乙 较多 比较有序 比较无序 三、热力学第二定律的微观解释 如何度量热力学系统的无序度呢？ 甲 乙 假如有N个分子， 总的微观态就有2N种， 全部在左边的概率就为有1/2N种. 优势：直观。弊端：数值太小. 1/2N 1 优势：直观。弊端：数值太大. 系统的宏观态所对应的微观态的多少Ω(一个宏观状态所对应的微观状态的数目)表现为宏观态的无序程度，同时也决定了宏观过程的方向性。 为了研究的方便，奥地利物理学家玻耳兹曼(1844—1906）用一个新的状态函数——熵S: 来表示系统无序性的大小。定义熵与热力学概率之间的关系为:S=kln  其中k为玻耳兹曼常量，上式称为玻耳兹曼关系式或玻耳兹曼熵公式。 直接用这个数目Ω表示无序度时，有的数值太大. 对数是一个神奇的工具，化大数为小数，化乘除为加减 三、热力学第二定律的微观解释 三、热力学第二定律的微观解释 1.有序和无序: 2.宏观态和微观态: 3.热力学第二定律的统计表述: 4.熵S: 表示系统无序性的大小 Ω：一个宏观态所对应的微观态的数目 ①熵的微观意义：系统内分子热运动无序性的量度。 ②熵增加原理：一个孤立系统的总熵不会减少。 可爱的熵：物理学中有个熵增定律，也就是著名的热力学第二定律。“熵”的名称是由德国物理学家道尔夫·克劳修斯于1868年造出来的，它代表着宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。它意味着腐败和混乱，但它同时也意味着生命本身的展开──不论是有机的，还是无机的生命。 卡农、乔治·梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，最终导致宇宙处处都一样，没有物质和空间之分，只剩下到处都一样的内能。这就是宇宙热寂说。 但最近理论认为：宇宙不会走向热寂寞，这些能量最终还会重新回来，再次重造宇宙。 三、热力学第二定律的微观解释 由于熵的制约，人们在取暖照明、耕田犁地、车钻磨锻、开车驾船……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。 三、热力学第二定律的微观解释 每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。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”。 第四部分 能量耗散 四、能量耗散 1.定义： 2.意义： ②总能量虽守恒，但要节约能源。 各种能量都有自发的向内能转化的倾性。不能再自动聚集起来加以利用的现象 ①能量品质有高低。内能品质最低。 3.热力学第三定律： 绝对零度不可达到 开尔文创建了热力学温标，表明宇宙存在着温度的下限:-273.150C。以这个下限为起点的温度叫热力学温度，用T表示，单位是开尔文，符号是K。 氢弹爆炸中心 108K 实验室已获得的最高温度 6×107K 太阳中心 1.5×107K 地球中心 4×103K 乙炔火焰 2.9×103K 金的凝固点 1337.33K 锡的凝固点 505. 078K 月球的向阳面 4×102K 地球上出现的最高温度 331K 地球上出现的最低温度 185K 月球的背阴面 90K 氮的沸点 77K 氦的沸点 4.2K 星际空间 2.7K 实验室已获得最低温度 2.4×10-11K 一些实际的温度值 四、能量耗散 课堂小结 宏观过程的方向性 非4 人 热力学第二定律 非4 人 能量耗散 热量自发从高温传到低温 水自发从高处流向低处 气体自发向真空中膨胀 气液体体自发扩散混合均匀 机械能自发全部转化为内能 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。 内容:各种能量都有自发向内能转化的倾性。不能再自动聚集起来加以利用的现象 意义：①能量品质有高低。内能品质最低。②总能量虽守恒，但要节约能源。 热力学第二定律的微观解释 孤立系统(与外界无能量、无物质交换的系统)内部所发生的过程总是从从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。 【练习1】(多选)下列现象不可能发生的是 (　　) A.在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，能使该房间降温 B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能 C.一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能 D.在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体 AB 课堂练习 【练习2】(多选)下列说法中正确的是 (　　) A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C.由自然过程的方向性可以判断物理过程能否自发进行 D.一切物理过程都不可能自发地进行 AC 课堂练习 【练习3】(2024·泰安高二阶段练习)下列说法正确的是 (　　) A.热量不能由低温物体传递到高温物体 B.外界对物体做功，物体的内能必定增加 C.第二类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律 D.电冰箱虽然可以从低温物体吸收热量，但不违背热力学第二定律 D 课堂练习 【练习4】(多选)根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是 (　 　) A.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能而不引起其他变化 B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体C.尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100% D.第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来 BC 课堂练习 【练习5】(2024·哈尔滨高二阶段练习)(多选)下面说法中正确的是 (　　) A.不可能从单一热源吸热，使之完全变成功，而不产生其他影响 B.热量只能由高温物体传递给低温物体 C.第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第一定律 D.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能是可能的 AD 课堂练习 【练习6】(2024·辽宁葫芦岛高二联考)(多选)下列对能量耗散理解正确的是 (　　) A.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 B.能量耗散遵守能量守恒定律 C.能量耗散说明能量可以凭空消失 D.能量耗散说明能量在不断减少 AB 课堂练习 【练习7】关于能量和能源，下列说法正确的是 (　　) A.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 B.在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源 C.自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性 D.能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质提升了 C 课堂练习 谢 谢 观 看 $$