3.4 热力学第二定律 课件 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦热力学第二定律，涵盖克劳修斯表述、开尔文表述、熵增原理及能源利用。通过红色颜料扩散、电冰箱工作等实例导入，衔接能量守恒定律，搭建从能量“守恒”到“方向性”的认知支架。 特色在于以科学思维为核心，用反证法推导两种表述等价性，结合麦克斯韦妖设想培养质疑创新能力，融入克劳修斯、开尔文科学史渗透科学态度。丰富例题联系生活，助学生深化能量观念，教师可高效开展概念教学与思维训练。

热力学定律 选择性必修三 第三章 1 3.4 热力学二定律 我们都感到，对困难必须正视，不能回避；应当把它放在心里，希望能够解决它。无论如何，每个困难一定有解决的办法，虽然我们可能一生也可能没找到。 ——开尔文 2 克劳修斯表述 CONTENTS 目录 开尔文表述 熵增原理 能量与能源 热力学第二定律 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？ 热力学第二定律 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。 所以，符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？ 热力学第二定律 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。 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。 相互接触而发生热传递 乙系统 热 冷 甲系统 温 甲系统 乙系统 热平衡 通过分子碰撞来传递热量，达到热平衡状态后，两个系统温度相同，说明： 热力学第二定律 1850年，德国物理学家克劳修斯(R.Clausius, 1822-1888)将热力学第二定律表述为： 高温热库 低温热库 制冷机 做功 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） ：向高温热库放出的热量 ：外界所做的功 ：从低温热库吸收的热量 2、制冷机工作原理 高温热库 低温热库 制冷系数(COP)： 克劳修斯表述 7 热力学第二定律 （2）热力学第二定律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。 （3）“自发”二字的意义：当两个物体接触时，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“自发”地从高温物体流向低温物体。 （4）不可能造成这样一台制冷机器：，该机器在一个循环动作完成后，外界没有变化，唯一的结果是把从低温物体传送到高温物体。 克劳修斯表述的说明： 克劳修斯表述 （1）这里阐述的是热量流动的方向性：内能可以自发地从高温物体向低温物体传递，而不能自发地从低温物体向高温物体传递 热力学第二定律 电冰箱通电后，能把热量从低温的箱内搬运到高温的箱外。这一现象是否违背热力学第二定律呢？ 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。但是这不是自发的过程，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。 克劳修斯表述 热力学第二定律 理想气体分馏机 1871年，詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性，提出了麦克斯韦妖设想： 一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由“妖”控制的一扇小“门”。容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，相当于热量“自发”地从低温部分逐渐向高温部分传递。 思考：从微观角度来讲，由于麦克斯韦妖仅控制“门”开闭，没有对气体分子做功，不消耗能量，符合热力学第一定律。那么，是否也符合热力学第二定律呢？ 克劳修斯表述 答：麦克斯韦妖识别、筛选粒子的过程是要消耗能量的，因此还是“引起了其他变化”。 10 热力学第二定律 1851，英国物理学家、“热力学之父”开尔文(Lord Kelvin)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 低温热库 热机 对外做功 ：从高温热库吸收的热量 ：对外界所做的功 ：向低温热库散发的热量 开尔文表述 低温热库 高温热库 热机效率： 11 热力学第二定律 开尔文表述 （1）这里阐述的是机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。 （2）“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。 第二类永动机：如果一台热机，效率为，热机从热源吸取的热量全部变成功，即，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。 （3）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，即热机的效率一定小于。 开尔文表述的说明： 12 热力学第二定律 开尔文表述 热电陶瓷：当热电陶瓷两端的温度不同时，在导热过程中，陶瓷会产生电动势。在这个过程当中，热量从高温热源传到低温热源时，有一部分内能会转化为电能。 13 热力学第二定律 开尔文表述 热力学第二定律两种表述的等价性 反证法：如果克劳修斯表述不成立，则热量能自发地从低温热库传递到高温热库： 高温热库 低温热库 热机 对外做功 高温热库 低温热库 热机 对外做功 该过程相当于高温热源的热量全部用于做功而未引起其他变化，即违反了开尔文表述。说明两种表述是等价的。 14 热力学第二定律 （1）能量：自然界中的能量是守恒的，既不会增加也不会减少。 （2）能源：具有高品质的容易利用的储能物质。 （3）能量耗散：能量从高品质能源向低品质能量转化的过程。 （4）能量总量不变，但能量品质会下降，即能源减少，因此能源是有限的资源，我们要节约能源。 能量与能源 能量与能源 15 【例题1】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转化的规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别 D.其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律 B 练习 热力学第二定律 16 【例题2】（2020·全国卷Ⅱ）下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有______；不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有______。(填正确答案标号)  A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热 B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低 C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响 D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内 B C 练习 热力学第二定律 17 练习 热力学第二定律 【例题3】(多选)倒一杯热水，然后加入适量的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶。关于这个过程，下列叙述正确的是(　 ) A.溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的 B.溶解过程是有序向无序转变的过程 C.结晶过程是有序向无序转变的过程 D.结晶过程不是自发的，因为有外界的影响 BD 18 练习 热力学第二定律 【例题4】(多选)根据热力学定律，下列说法正确的是(　 ) A.电冰箱的工作表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 B.空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量 C.科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机 D.即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能 ABD 19 练习 热力学第二定律 【例题5】关于能量和能源，下列说法正确的是( ) A.在能源利用的过程中，能量在数量上并未减少 B.由于自然界中总的能量守恒，所以不需要节约能源 C.能量耗散说明能量在转化过程中不断减少 D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 A 20 热力学第二定律 熵增原理 更进一步： 我们研究的问题不仅仅是热力学，还有其他各个分支，其实在事物发展的角度讲，都是有其方向性的。 21 热力学第二定律 怎么解释？ 熵增原理！ 熵增原理 初状态 22 热力学第二定律 熵增原理 1. 什么是熵？ 1850年，克劳修斯提出了熵()的概念。熵是分子热运动无序（混乱）程度的定量量度，熵越高，分子越无序，越混乱。 2. 熵增原理： 一个孤立的热力学系统的熵不减，系统总是朝着无序的方向在进行。这是热力学第二定律的微观解释。 熵增原理 23 热力学第二定律 熵增原理 1. 什么是熵？ 1850年，克劳修斯提出了熵()的概念。熵是分子热运动无序（混乱）程度的定量量度，熵越高，分子越无序，越混乱。 2. 熵增原理： 一个孤立的热力学系统的熵不减，系统总是朝着无序的方向在进行。这是热力学第二定律的微观解释。 熵增原理 24 热力学第二定律 热寂说 根据热力学第二定律，机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。在自然界中普遍存在的这种不可逆转的机械能的耗散趋向，其他形式的能趋于向内能转化，必然造成宇宙中热量的不断增加。 1862年，开尔文提出，如果宇宙有限并服从现有的定律，那么经过有限长的时间后，宇宙将会处在一个巨大的“热平衡状态”中：机械能耗散至不复存在，任何物质都失去宏观形态，变为仅有微观热运动的分子，热量均匀地充斥着宇宙各处，宇宙的熵到达极值，宇宙将变成静止和死亡状态，即“热寂”。 “热寂说”这一消极到极点的假说自提出起的一百多年内，无数科学家、哲学家（恩格斯、庞加莱、罗素等）呕心沥血，尝试过各种理论试图反驳之，无一人成功。这种悲观、消极的情绪持续了一个多世纪，直到“大爆炸宇宙模型”理论得到验证后，热寂说终于告一段落。 熵增原理 25 练习 热力学第二定律 【例题6】下面关于熵的说法错误的是( ) A.熵是物体内分子运动无序程度的量度 B.在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向减少的方向进行 C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的 D.熵值越大，代表系统分子运动越无序 B 26 练习 热力学第二定律 【例题7】(多选)倒一杯热水，然后加入适量的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶。关于这个过程，下列叙述正确的是( 　 ) A.溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的 B.溶解过程是有序向无序转变的过程 C.结晶过程是有序向无序转变的过程 D.结晶过程不是自发的，因为有外界的影响 BD 27 练习 热力学第二定律 28 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 $