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4. 热力学第二定律
人教版（2019）物理（选择性必修第三册）
第三章 热力学定律
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
1.通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法
2.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换、转移以及方向性问题
3.了解能量与能源的区别以及能源的有限性
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？
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。
会不会出现铁块温度更高，水的温度更低的情况？
正确教育
宏观自然过程
的方向性
衣服不整理就会很散乱
思考
一些事件的发展过程是不是具有方向性、不可逆性
水往低处流
气体扩散具有方向性
思考
均匀混合的空气与溴气过一段时间会不会自发地变的界线分明？
视频演示：气体的扩散现象
扩散现象进行是有方向的，过程是不可逆的。（微观）
把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会几，鸡蛋的温度降低，水的温度什高，最后水和鸡蛋的温度相同。
是否可能发生这样的現象：原来温度相同的水和鸡蛋过一会儿水的温度自发的降低而鸡蛋温度自发上升，生蛋变成熟蛋？你能得出什么结论？
热量自发地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的。（宏观）
思考
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？
电冰箱制冷系统
贮藏的食品
大气
热量
热量
电源
做功
热传导的方向性
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。
要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。
机械能和内能的转化具有方向性
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。
思考
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。
物体间的传热
气体的膨胀
扩散现象
有摩擦的机械运动
热现象
特定的方向
温度由高到低
体积由小到大
密度由密到疏
由机械能到内能
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律
正确教育
热力学第二定律
热力学第二定律
在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律。
①热力学第二定律的克劳修斯表述：
热量不能自发从低温物体传到高温物体。
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。
开尔文
克劳修斯
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.
对“自发”的理解：不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。
高温
自发
低温
不能自发
克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的
热力学第二定律
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
燃料产生的热量Q
输出机械功W
漏气热损
散热热损
摩擦热损
W < Q
思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量 Q = W ？
热力学第二定律
高温热库
低温热库
Q
W
燃料在燃烧(高温物体)
冷凝器或大气(低温物体)
自发
热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即
W < Q
热力学第二定律
①热机的效率无法达到100%，总会有损耗。
机械能
内能（热）
全部转化（自发）
对第三者有影响
②机械能与内能转化的方向性：
1.人们常用空调调节室内空气的温度，下列说法正确的是（　　）
A．空调风速越大，室内空气的分子动能也越大
B．空调过滤器能够吸附PM2.5颗粒，此颗粒的运动是分子热运动
C．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性
D．空调制热使得室内温度上升，则速率小的空气分子比例减小
经典例题
D
答案：D
解析：A．室内空气的分子动能只与温度有关，与空调风速无关，故A错误；
B．空调过滤器能够吸附PM2.5颗粒，PM2.5颗粒是肉眼看不见的固体小颗粒，做的是布朗运动，不是分子热运动，故B错误。
C．空调既能制热又能制冷，说明在不自发地条件下热传递方向可以逆向，不违背热力学第二定律，故C错误；
D．空调制热使得室内温度上升，根据温度是分子平均动能的标志，所以速率小的空气分子比例减小，故D正确；
2.有关热的现象和规律，下列说法正确的是（　　）
A．电冰箱工作时把热量由温度较低的箱内传递到箱外，违背了热力学第二定律
B．用打气筒给自行车打气，越来越费劲，说明气体分子间表现为斥力
C．气体的温度升高，每个气体分子运动的速率都增大
D．一定质量的理想气体，经历绝热压缩过程，气体分子的平均动能增大
经典例题
D
答案：D
解析：A．电冰箱工作时把热量由温度较低的箱内传递到箱外消耗了电能，没有违背热力学第二定律，故A错误；
B．用打气简给自行车打气，越来越费劲是因为自行车轮胎内气体的压强在逐渐增大，而不是体分子间的斥力造成的；故B错误；
C．气体的温度升高，分子的平均动能增大，并不是每个气体分子运动的速率都增大，故C错误；
D．一定质量的理想气体，经历绝热压缩过程，根据热力学第一定律可知气体的内能增加，分子的平均动能增大，故D正确。
正确教育
能量是有限的
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
能量耗散
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。
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。
是指具有高品质的容易利用的储能物质。
能源
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。这个设想不违背能量守恒定律，但是不能实现，所以这类机器叫做第二类永动机。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
拓展：第二类永动机
第二类永动机：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化的热机。
第二类永动机不可能制成：这类热机虽然不违背能量守恒定律，但因为机械能和内能具有方向性，热机在工作过程中要排除部分能量，所以第二类永动机不可能制成。
热力学第二定律的一种特殊表述：第二类永动机不可能制成
根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气变的稍暖一点，却不能自动聚集起来驱动机器，这样的转化过程叫做“能量耗散”，虽然能量的总量保持不变，但能源会逐渐减少，因此能源是有限的资源，要节约能源。
学生活动1：阅读61页到62页“能源是有限的”部分
学生活动2：课本62-63页拓展学习部分内容，回答问题：
（1）什么是“有序状态”，什么是“无序状态”
以气体气体膨胀为例：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。
（2）什么是“熵”？
在统计物理学中，热力学熵被解释为系统微观运动的无序度(混乱度)。
（3）熵增原理内容？
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。
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。
（4）熵的应用
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，行政管理等领域，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义。
拓展：熵增
熵及熵增加原理
1.熵：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。
2.熵增加原理：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。
3.下列说法正确的是（　　）
A．人的学习过程随着知识的逐渐积累，引起认知系统总熵值减小
B．人的学习过程随着知识的逐渐积累，引起认知系统总熵值增加
C．因为能量守恒，所以无需节约能源
D．热机中的内能可以全部用来做功
经典例题
A
答案：A
解析：AB．孤立系统的一切自发过程均向着其微观状态更无序的方向发展，微观状态越混乱，则该系统的嫡值越大，反之越小，人的学习过程随着知识的逐渐积累，是一个由无序到有序的过程，故总嫡值减小，故A正确，B错误；
C．能量守恒，但是有的能源是不可再生的，仍需节约能源，故C错误；
D．热机的效率不可能达到百分之百，所以热机中的内能不可以全部用来做功，故D错误。
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
关于热力学定律，下列说法正确的是（　　）
A．气体吸收热量后，内能一定增大
B．热量可能从低温物体传递到高温物体
C．空调机既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性
D．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100%
B
答案：B
解析：根据 气体吸收热量后，物体对外做功内能可能不变，A错误
B．根据热力学第二定律，热量可以从低温物体传递到高温物体，但不能自发的从低温物体到高温物体，B正确
C．空调机在制冷时，热量从低温物体传向高温物体，在电机做功的情况下。所以热传递存在方向性，C错误
D．虽然没有漏气和摩擦，但是会有热传递，效率不会100%，D错误
故选B。
下列说法正确的是（　　）
A．花粉颗粒的布朗运动证明花粉分子在做永不停息的无规则运动
B．气体很难被压缩证明气体分子间存在相互作用的斥力
C．第二类永动机无法实现是因为违反了热力学第一定律
D．液体由于表面张力呈收缩趋势是因为表层分子间距大于内部分子间距
D
答案：D
解析：A．花粉颗粒在液体中的布朗运动只能说明液体分子在做无规则运动，不能说明花粉分子在做无规则运动，故A错误；
B．气体很难被压缩是由于气体压强的原因，故B错误；
C．第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它违背了热力学第二定律，所以是制造不出来的，故C错误；
D．由于液体表面层分子间距离大于液体内部分子间的距离，液面分子的引力大于斥力，整体表现为引力，所以液体表面具有收缩的趋势，故D正确。
以下现象违背热力学第二定律的有（　　）
A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉
B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100％
C．桶中浑浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离
D．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能
B
答案：B
解析：A．热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体，故A正确；
B．任何热机效率都不可能达到100％，故B错误；
C．泥、水分离是机械能向内能的转化，故C正确；
D．物体因摩擦力而停下来，是机械能向内能的转化，是自发过程，故D正确。
故选B。
（多选）关于能量和能量耗散，下列说法中正确的是（　　）
A．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中客观过程的方向性
B．能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的
C．能量守恒，不可消失，所以没有必要节约能源
D．能量之间可以相互转化，故能源可以很方便的循环利用
AB
答案：AB
解析：A．能量守恒定律是普遍规律，能量耗散过程中能量也是守恒的，从能量转化的角度反映出自然界中的客观过程具有方向性，故A正确；
B．能量的转化和转移具有方向性，有些能量耗散到空中无法再次回收和利用，因此能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的，故B正确；
CD．能量的转化和守恒定律即指能量在转化和转移中总量保持不变，但能量在转化中具有方向性，不能循环利用，所以我们需要节约能源，故CD错误；
谢谢观看

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