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

nullnullnullnull我们知道液体在蒸发时必须要从周围吸收热量，利用蒸发吸热的现象可以用来制作各种制冷设备。我们使用的电冰箱就是根据这种现象制成的。电冰箱的制冷系统主要有压缩机、冷凝器、系统管、蒸发器四部分，通过吸入管和排气管连成一个密闭的系统。压缩机运行时，吸入来自蒸发器的低压低温制冷剂蒸汽，将它压缩成高压高温蒸汽，通过排气管排入冷凝器。在冷凝器中，高压高温气态制冷剂同冰箱外部空气交换热量，降低温度，冷凝为高压常温液态制冷剂。高压常温的液态制冷剂通过又细又长的系统管减压后，就成为低压常温液态制冷剂，在蒸发器中吸收箱内的热量进行蒸发汽化，成为低压低温的蒸汽，进入吸气管，再进入下一个工作循环。在蒸发器内发生的气化吸热过程就是制冷过程。电冰箱的工作原理就是这样，通过制冷剂由气态变为液态放热，又从液态变为气态吸热，周而复始，循环工作，使箱内达到制冷降温的目的。 nullnullnullnullnullnullnull有很多制冷方式，最常见的是压缩式的制冷方式。我们先看看冰箱的主要结构和制冷。制冷物质是一种很容易气化和液化的物质性。他经过很细的毛细管进入冰箱内，冷冻室的蒸发器在这里吸热气化，使冰箱内温度降低之后生成的蒸汽又被电动压缩机压入冷凝器，在这里液化，并把从冰箱内带来的热通过冰箱壁上的管子放出。这样循环流动，冰箱冷冻室里就可以保持相当低的温度。 nullnull为什么刷抖音会让人感觉到轻松愉快甚至上瘾？为什么坚持刷抖音很容易，坚持看书学习却很难？为什么生命最终都会走向死亡？这一切都是因为伤。早在19世纪，科学家提出了热力学定律，热量、温度、能量的概念首次进入科学词典。随着科学家的深入了解，他们发现了能量守恒定律，即能量在转化的过程中总和是不变的。与此同时，科学家发现，能量在转化的过程中总会被浪费掉一部分，并且这部分能量无法再利用。1854年，一位叫克劳修斯的德国人将那些转化过程中浪费掉无法再利用的能量定义为商。他认为，在孤立的系统内，分子的热运动总是会从原来集中有序的排列状态逐渐趋向分散、混乱的无序状态。系统从有序向无序的自发过程中，熵总是增加的当商在一个封闭的系统内达到最大值时，系统就会处于一种能量守恒状态，而呈现一种热技状态，后来这个概念被总结为热力学第二定律。毎周刚开始的时候，我们会把房间收拾的窗明几净，可是一到周末就会发现房间乱成一团。用沙子堆一个沙堡，风可以将它吹散，它会变得更无序，继而坍塌，但风却不能自发形成沙包。这是一条有史以来令人类越看越绝望的物理定律，有的科学人员甚至沮丧地声称宁愿没发现它。爱因斯坦将之称为科学的第一法则。按照熵增定律，一切事物都是从有序走向无序。这也意味着过去和未来是有差别的，过去更加有序，而将来更加无序。我们的生命也是如此，当一个生命诞生的时刻，也是它生根开始的时刻，而我们吃喝呼吸所产生的能量都是为了对抗熵增，也就是说，自始至终你都在对抗死亡，你只能尽可能减慢熵增的速度，却无法让它彻底停下来，当伤达到某一临界点时，生命也就来到了终点。熵的通俗理解就是混乱程度，它是物理学家心目中无比坚定的信仰。随着人类认知的不断提高，牛顿力学可能不对，相对论可能不对，量子力学也可能不对，但熵增定律却是永恒的。熵增已经向前推进了140亿年，随着时间的推移，我们的太阳也会燃烧殆尽，继而核心坍塌，体积膨胀，这将对我们脆弱的世界造成灾难性的影响。渐渐地，地球将越来越热，最终地球上所有生命都将不复存在。太阳将会变得无比巨大，甚至大到足以填满整个地平线。它将变成一个红巨星，这将是太阳生命的最后阶段。如此一来，我们的星球不大可能幸存下来，太阳最终会变成一颗白矮星，其亮度不足现在的百1‱，宇宙中所有恒星的命运跟太阳一样，终有一天他们都会消亡。这便是觞僧最深远的影响。因为我们居住的这个结构化宇宙及宇宙中所有的奇迹，恒星、行星和星系都不可能永远存在，宇宙最终将逐渐消亡，陷入永恒的黑暗。我们试想一幅宇宙终结的画面，宇宙中仅存的最后一个文明环绕着宇宙中最后一颗红矮星，建造了最后一个戴森球带着对宇宙几万亿年的历史怀念，绝望的看着那颗恒星慢慢的暗下去。 nullnullnull3.4 热力学第二定律 教师： 日期： 月 日 物理雾里悟理 站立式讨论：：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。那么符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性? 覆水难收 水往低处流 新课导入 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？ 不能 不能 物理雾里悟理 观看视频思考与讨论： 1.物体间的热传递过程可逆吗？ 不可逆，物体间的热传递有特定的方向性：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。 2.气体的膨胀过程可逆吗？ 不可逆，气体的膨胀有特定的方向性：只能自发地向低压空间膨胀。 3.液滴的扩散过程可逆吗？ 不可逆，扩散有特定的方向性：只能自发地由密度大的区域向密度小的区域扩散。 一、自然过程的方向性 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，例如上面列举的这些例子，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。 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。 物理雾里悟理 你能行！！ 1、下列说法中，正确的是 (　　) A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性 B．热量不可能由低温物体传给高温物体 C．气体的扩散过程具有方向性 D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性 热力学第二定律反映的所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性 在产生其他影响的情况下,热量可以从低温物体传给高温物体.例如冰箱 C 物理雾里悟理 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。（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是将热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化） 德国物理学家克劳修斯(R.Clausius，1822-1888) 制冷机工作原理 Q1=Q2+W Q1：向高温热库放出的热量 W：外界所做的功 Q2：从低温热库吸收的热量 二、热力学第二定律（克劳修斯表述） 高温热库T1 低温热库T2 Q1 Q2 做功 制冷机 W 【问题思考】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？ 不违背热力学第二定律 电冰箱工作时热量的确从低温物体（冰箱内的食品）传到了高温物体（冰箱外的空气），但这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机消耗电能，对制冷系统做了功。 物理雾里悟理 2、克劳修斯表述的说明： ③这里阐述的是热传递的方向性。 克劳修斯表述也相当于：如果一台制冷机，制冷系数为： ，W为外界对机器做的功，Q2为从低温物体吸收的热量。不可能造成这样一台制冷机器，W→0，ε→∝，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。 ①“自发”二字的意义： 当两个温度不同的物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从高温物体传向低温物体。 高温 低温 自发 除非外界做功外界环境发生变化 ②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。 二、热力学第二定律（克劳修斯表述） 物理雾里悟理 1851，英国物理学家开尔文将热力学第二定律表述为： 1、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。（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不引起其他变化） 2、热机工作原理 高温热库T1 低温热库T2 Q1 Q2 对外做功 热机 W Q1：从高温热库吸收的热量 W：对外界所做的功 Q2：向低温热库散发的热量 Q1=Q2+W 热机的效率小于100%，就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。 开尔文 二、热力学第二定律（开尔文表述） 物理雾里悟理 ⑴这里阐述的是机械能与内能转化的方向性。 ⑵“不可能从单一热库吸收热量”的意义： 不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 机械能可以全部转化为内能，可自动进行(如摩擦生热、焦耳实验) ，而内能无法全部用来做功以转换成机械能，不可自动进行 (焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使重物升高) 。 如果一台热机，效率为： ，热机从热源吸取的热量Q1全部变成功W，即Q2＝0，该机器唯一的结果就是从单一热源吸取热量全部变成功而不产生其它影响。此时热机的效率η＝1(100%)， η＝1的热机称为第二类永动机。 ⑶克劳修斯表述也可以改为： 第二类永动机是不可能制造成功的。 开尔文表述的说明： 二、热力学第二定律（开尔文表述） 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： 柴油机 汽缸 物理雾里悟理 热力学第二定律与第一定律的比较 　 　 热力学第一定律 热力学第二定律 区别 联系 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。 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，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础。 热力学第二定律的两种表述之间的关系 （1）热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 实质：按热传递的方向性来表述 （2）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 实质：按机械能与内能转化过程的方向来表述 （3）对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。 例如：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 物理雾里悟理 2、在热学中,下列说法正确的是 (　　) A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律 B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律 C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能 D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体 A 你能行！！ 物理雾里悟理 3、根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有 (　　) 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，也可能从低温物体传到高温物体 C．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能 D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能 当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，如冰箱和空调；机械能可以全部转化为热能.外界条件发生变化时，热能也可以全部转化为机械能；如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功. BD 你能行！！ 物理雾里悟理 4、下列说法正确的是 (　　) A．机械能全部变成内能是不可能的 B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式 C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体 D．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的 机械能可通过克服摩擦全部转化为内能，第二类永动机没有违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，在产生其他影响的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，在产生其他影响的情况下，可以从单一热源吸收热量全部变成功 D 你能行！！ 物理雾里悟理 自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。 柴薪时期 煤炭时期 石油时期 三、能源是有限的 化学能→电能 电能→内能和光能 1、能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。 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，流散到周围环境中，能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，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。 →耗散在环境中 2、能源是有限的资源。能源的使用过程中虽然能量的总量保持守恒，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。 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 物理雾里悟理 5、根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（ 　） A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其它变化 B．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，这在原理上是可行的 C．分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小 D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大 B 你能行！！ 物理雾里悟理 1、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。 2、不可逆的现象可以从微观角度来解释。 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，如下右图所示。 拓展学习：熵与熵增加原理 这16种分布中的每一种是一种微观态。在自由膨胀前，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。 一般地说，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 。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。 物理雾里悟理 3、有序和无序 相对于膨胀后的状态，物理学中把气体膨胀前的状态叫作有序状态，而气体自由膨胀后的状态变得更混乱与无序，是无序状态。 一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。 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。 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。 4、熵 5、熵增加原理。 从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：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。熵的概念现在已经应用于信息学、天体物理学、生命科学、社会学等领域，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义。 拓展学习：熵与熵增加原理 物理雾里悟理 6.对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是（　　） A．系统的总熵只能减小，不可能增加 B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小 C．系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展 D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展 【解析】AB．由热力学第二定律可知，系统的熵只能增大，不可能减小，故AB错误；CD．系统只能自发地从比较有序的状态向更无序的状态发展，故C正确，D错误；故选C。 C 物理雾里悟理 热力学第二定律 宏观自然过程的方向性 热力学第二定律 热力学第二定律克劳修斯表述 热力学第二定律开尔文表述 能源是有限的 第二类永动机 熵和熵增加原理 高温热库T1 低温热库T2 Q1 Q2 做功 制冷机 W 高温热库T1 低温热库T2 Q1 Q2 对外做功 热机 W 课堂总结 物理雾里悟理 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf58.29.100 $$nullnull