专题10.4 热力学第二定律（课件+flash视频）-高中物理人教版选修3-3（全册）

复习 1、热力学第一定律 2、能量守恒定律 思考：根据能量守恒定律，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的。那么符合能量守恒的宏观过程是否都能发生呢？ 将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？ 铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同． 将烧红的铁块投入水中，结果会不会铁块温度更高，水的温度更低？ 热传导的过程是有方向性的，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。 一个在水平地面上运动的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高。 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． 机械能和内能转化具有方向性。 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（second law of thermodynamics). 共同特征： 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。（克劳修斯表述） 说明： （1）克劳修斯表述中强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可能从低温物体传到高温物体。” （2）如果允许“其它变化”，例如利用致冷机做功，热量可以从低温物体传到高温物体上，而致冷机做功就属于“其它变化”。 （3）如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源。按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，它无需消耗功就能致冷。克劳修斯表述否定了这种可能性。 电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？ 因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了．相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高． 贮藏的食品 大气 电冰箱制冷系统 有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其它变化． 热机是一种把内能转化为机械能的装置 气缸中的气体得到燃料燃烧时产生的热量Q1 推动活塞做功W 排出废气，同时把热量Q2散发到大气中。 Q1=W+Q2 热机效率η=W/Q1 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。（开尔文表述） 热源 冷凝器 热机 1，按热传递的方向性来表述 2，是按机械能与内能转化过程的方向来表述。 开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的。可用反证法证明。 违背开尔文表述一定违背克劳修斯表述 Q1──热机从T1吸热 A ──热机输出功 Q2──热机从T2吸热Q1+Q2──致冷机向T1放热 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。 违背克劳修斯表述一定违背开尔文表述 开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的。可用反证法证明。 如果克劳修斯表述不成立，则可制成一个无功致冷机，将它同另一个热机组成复合机，如图所示，就可使复合机成为一单热源热机，即开尔文表述也不成立。 T2──低温热源 Q2──热量通过假想装置自动地从T2传向T1 Q1──卡诺热机从T1吸热 A ──卡诺热机对外作功 任何一类宏观自然过程进行方向的说明都可以作为热力学第二定律的表述。 冷凝器 热源 热机 说明： （1）开尔文表述否定了第二类永动机的可能性。历史上曾有人企图制造“一种循环动作的热机，只从单一热源吸收热量，使之全部变为功，而不向低温热源放出热量，或者说不引起其它变化。”这种热机称为第二类永动机或单热源热机，其效率η=100%。虽然它不违背热力学第一定律，但它违背了热力学第二定律的开尔文表述。 （2）开尔文表述中强调了“在不产生其他影响的条件下，‘热’不能全部变为‘功’。”如果允许“其他影响”发生，热可以全部变为功。例如气缸中理想气体作等温膨胀时，气体从恒温热源吸收的热量就可以全部用来对外做功。但气体“体积和压强”发生了变化，它不能循环动作返回原状态。 点击下图观看视频 思考 会不会有这样的现象：均匀混合的空气与溴气过一段时间会自发地变的界线分明 ？ 气体扩散具有方向性 气体