3.3 热力学第二定律 课件-2026-2027学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

第三章　热力学定律 热力学第二定律 2 了解热力学第二定律的两种典型表述，能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题 1 了解自然界中宏观过程的方向性 重难点 自然界中宏观过程的方向性　热力学第二定律 一 覆水难收 水往低处流 大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性？ 导入 热水不断向外传递热量，直到与环境温度一致 水能自发的从环境中吸收热量，升高温度吗？说明了什么？ 不能 热量总是从高温物体传向低温物体，不能自发地从低温物体传向高温物体。说明热传递具有方向性 如图所示，隔板上的小孔被打开，N2分子 和O2分子会自动地相互扩散混合，最后成为均匀的混合气体。 混合气体能自发分开，使氮气全部回到左边而氧气全部回到右边吗？ 说明了什么？ 不能 说明扩散现象具有方向性 不能 说明气体的自由膨胀过程具有方向性。 可能发生这样的逆过程吗？说明了什么？ 静止的足球和地面周围的空气能否自发地降低温度释放内能，并将内能全部转化为足球的动能让足球又滚动起来？说明了什么？ 　不能　说明与热现象有关的宏观过程有方向性 踢出的足球在地面上运动，最终可以停在地面上，能量如何转化？ 机械能转化为内能 自然界中宏观过程的方向性　热力学第二定律 2.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。 阐述的是传热的方向性。 1.自然界中宏观过程的方向性： 一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，其相反 的过程是不可能自发产生的。 克劳修斯 (3)克劳修斯表述 开尔文表述。 等价 (2)开尔文表述： 不可能从单一热源吸收热量，使之全部变成功， 而不产生其他影响。 该表述阐述的是机械能与内能之间转化的方向性。 (4)热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的方向性。 开尔文 1.热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？ 答案　不能。两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助。有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。 讨论交流 2.如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题： (1)制冷机工作时热量是自发地从低温热源传到高温热源吗？ 答案　不是，热量从低温热源传到高温热源时需要有外界做功。 (2)热机工作时能否将从高温热源吸收的热量全部用于做功？ 答案　不能，热机工作时只能将从高温热源吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热源。 3.有人设想了一种利用地热能的方式：将地面上的水通入温度高的地热异常区汽化，所吸收的热量除用于克服摩擦做功外全部用来对外做功。这种机器被称为“第二类永动机”。“第二类永动机”有可能实现吗？它是否违背能量守恒定律和热力学第二定律？ 答案　第二类永动机不可能实现，虽然不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律。 (1)只要满足能量守恒定律的物理过程都能实现。(　　) (2)由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。 (　　) (3)不可能从单一热源吸收热量，使之全部变成功。(　　) × × × 辨析 1.下列过程中可能发生的是 A.某种物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产 生其他影响 B.打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复原状 C.利用其他手段，使低温物体的温度更低，高温物体的温度更高 D.将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开 √ 例题 2.(多选)地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018 t，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023 J的热量。有人曾设想利用海水放出的热量，使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，关于其原因，下列说法正确的是 A.内能不能转化成机械能 B.内能转化成机械能不满足热力学第一定律 C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二 定律 D.机械能可全部转化为内能，内能不可能全部转化为机械能，同时不引 起其他变化 √ √ 1.一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。 2.热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的。例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响。 总结提升 热力学第一定律和热力学第二定律的比较 二 1.热力学两定律的比较 热力学第一定律 是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 热力学第二定律 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 区 别 两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，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础。 热力学第一定律 热力学第二定律 联 系 设计要求: 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去) 第一类永动机 不可能制成的原因:违背了能量守恒定律 2.两类永动机的比较 设计要求: 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能向机械能的转化) 第二类永动机 不可能制成的原因:违背了热力学第二定律 3.(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 例题 热力学第二定律 永动机 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体 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 第一类永动机违背能量守恒定律 第二类永动机违背热力学第二定律 根据热力学第二定律，热量自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误； 气体膨胀具有方向性，不能自发逸出又自发跑进去，使其恢复原状，B错误； 根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可以实现的，C正确； 扩散现象有方向性，因此液体混合后不能自发地各自分开，D错误。 内能可以转化成机械能，如热机，故A错误； 内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，也可以说符合能量守恒定律，故B错误； 根据热力学第二定律可知，不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，故C、D正确。 A项符合热力学第一、第二定律。冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或温度都不变， B项描述违背了热力学第一定律。 C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。 D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第二定律。 Keep thinking 辨析 $