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

4.热力学第二定律 第三章 热力学定律 人教版选择性必修第三册 导入新课 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? 学习目标 物理观念 建立热力学第二定律的核心概念，能从宏观与微观角度分析热学过程的方向性。 科学思维 能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，即自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。 科学探究 设计探究实验，分析热机效率与能量耗散的关系。 科学态度 与责任 联系生活应用（如能源利用、环境保护），体会理论指导实践的思想，增强社会责任感。 重点难点 重点 1.能量守恒定律的内容、数学表达及其物理意义； 2.运用能量守恒定律分析实际物理过程问题。 难点 1.准确理解能量转化与转移过程中的定量关系及物理含义。 1. 热力学第二定律 2. 能源是有限的 3. 课堂总结 4. 练习与应用 学习内容 第4节 热力学第二定律 一、热力学第二定律 第4节 热力学第二定律 一、热力学第二定律 思考与讨论：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？请举例说明？ 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 一、热力学第二定律 观看视频思考与讨论： 1.物体间的热传递过程可逆吗？ 2.气体的膨胀过程可逆吗？ 3.液滴的扩散过程可逆吗？ 一、热力学第二定律 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，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。 一、热力学第二定律 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） 克劳修斯 （1）制冷机工作原理 高温热库T1 低温热库T2 Q1 Q2 做功 制冷机 W 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 一、热力学第二定律 （2）克劳修斯表述的说明 ③这里阐述的是热传递的方向性。 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。 一、热力学第二定律 【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 电冰箱制冷系统 贮藏的食品 大气 热量 热量 电源 做功 一、热力学第二定律 2.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） （1）制热机工作原理 高温热库T1 低温热库T2 Q1 Q2 对外做功 热机 W 开尔文 Q1=Q2+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 注意：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。 一、热力学第二定律 热机工作的两个阶段： 柴油机 汽缸 燃料的化学能 工作物质的内能 机械能 对外做功 燃烧 思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量 Q = W ？ 一、热力学第二定律 （2）开尔文表述的说明 ①“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。 ②这里阐述的是机械能与内能转化的方向性。 ③开尔文表述也可以改为：第二类永动机是不可能制造成功的。 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。 机械能 内能（热） 全部转化（自发） 对第三者有影响 一、热力学第二定律 ①两种表述是等价的 可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。 ②如果克劳修斯表达不成立，则开尔文表述也不成立。 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。 热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？ 开尔文 克劳修斯 一、热力学第二定律 3.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：是按机械能与内能转化过程的方向性来表述 违背开尔文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，如图所示，其总效果相当于一个无功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立。 有可能制成第二类永动机吗？ 地球上海水的总质量达1，4×102kg。如果制造一种机器，把这些海水的温度降低1℃，放出的热量就达9×10“kW-h，足够全世界使用4000年。不违背能量守恒定律，但不能实现，叫做第二类永动机。 前面学到的，违背能量守恒定律的永动机，叫做第一类永动机。 学过热力学第二定律之后，你能说出为什么不能制成第二类永动机吗? 热力学第二定律的另一种表述就是：第二类永动机不可能制成 一、热力学第二定律 一、热力学第二定律 4.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。 一、热力学第二定律 例1.根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（　　） A.功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功 B.热可以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 C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的 D.随着技术的进步，热机的效率可以达到100% C 二、能源是有限的 第4节 热力学第二定律 二、能源是有限的 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 二、能源是有限的 1.能量耗散：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，无法重新自动聚集起来加以利用的现象。 2.能源：是指具有高品质的容易利用的储能物质。 3.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 二、能源是有限的 二、能源是有限的 自然界的很多过程是不可逆的 4.熵与熵增加原理 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。 二、能源是有限的 （3）熵增加原理：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。 （1）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。 （2）熵：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。 二、能源是有限的 例2.如图所示是“风光互补LED太阳能路灯”，太阳能路灯同时利用光能和风能实现照明，它的上端是风力发电，中间是太阳能电池板，下部是照明灯，最下端是蓄电池。下列说法正确的是（　　） A．夜晚蓄电池放电，将电能转化为化学能 B．风力发电，将机械能转化为电能 C．太阳能电池板将太阳能转化为光能 D．太阳能、风能属于不可再生能源 B 三、课堂总结 第4节 热力学第二定律 四、课堂总结 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 四、练习与应用 第4节 热力学第二定律 四、练习与应用 1．以下说法正确的是（　　） A．热量自发地从甲物体传到乙物体，甲的内能不一定比乙大 B．风能不可循环使用 C．水能是可再生能源，所以可制造一台利用水能的机器，效率可达100％ D．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的 A 四、练习与应用 2．对热力学第一定律和第二定律的理解，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．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 D．机械能不能全部转化为内能 C 3.（多选）如图，用绝热材料制成的密闭容器被隔板K分成Ⅰ、Ⅱ两部分，一定量的某理想气体处于Ⅰ中，Ⅱ内为真空。抽取隔板K，气体进入Ⅱ中，最终整个容器均匀地分布了这种气体。则此过程，该气体系统（　　） A．对外做功，体积膨胀 B．对外不做功，最终压强减小 C．内能减少，最终温度降低 D．无序度变大 四、练习与应用 BD 四、练习与应用 4.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 C Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf58.29.100 $