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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？
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第4节 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。
符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？
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。
学习任务一
学习任务一　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T1
低温热库T2
Q1
Q2
做功
制冷机
W
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）
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
2、制冷机工作原理
Q1=Q2+W
热力学第二定律的克劳修斯表述
克劳修斯表述的说明：
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。
⑴这里阐述的是热传递的方向性。
⑵“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，热量就能从一个物体传向另一个物体。
⑶克劳修斯表述也相当于：
如果一台制冷机，制冷系数为： ，W为外界对机器做的功，Q2为从低温物体吸收的热量。
不可能造成这样一台制冷机器，W→0，ε→∝，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Q2从低温物体传送到高温物体。
当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。
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？
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
一旦切断电源，冰箱的压缩机就停止工作，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。自发的过程是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品，使其温度逐渐升高。
思考与讨论
1851，英国物理学家开尔文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T1
低温热库T2
Q1
Q2
对外做功
热机
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
Q1=Q2+W
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。
热力学第二定律的开尔文表述
⑴这里阐述的是机械能与内能转化的方向性。
⑵“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。
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。
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。
⑶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。
开尔文表述的说明：
学习任务一
例1 (多选)[2023·南宁二中月考] 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
学习任务一
[解析]热量可以在外界做功的情况下从低温物体向高温物体传递,但不能自发进行,故A正确;
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,故B正确;
不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化,故C错误;
根据热力学第二定律,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,故D正确.
学习任务一
【要点总结】
1.对热力学第二定律的理解
(1) “自发地”过程就是在不受外界干扰的条件下进行的自然过程.
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等.
(3)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.
2.热力学第二定律的实质:热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.
学习任务二　热力学第一定律和热力学第二定律的比较和应用
学习任务二
[物理观念]
(1)两定律的比较
热力学第一定律 热力学第二定律
区别 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 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具有不可逆性的经验总结,从而否定了第二类永动机
联系 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 学习任务二
[科学态度与责任]地球上有大量的海水,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,这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量,这么巨大的能量,人们却不去开发研究是因为这种利用海水的内能发电的过程,违背了　　　 　　　,不会研究成功.
热力学第二定律
学习任务二
例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
　C
B
学习任务二
[解析] A中汽油的化学能转化为热机的机械能和内能,符合热力学第一定律.
B中冷水倒入保温杯,若冷水和杯子的温度都降低,内能都变小,无其他力做功,能量消失,违背了热力学第一定律.
C中热机工作时,从高温热源吸收的热量不可能全部转化为功,效率不可能达到100%,违背了热力学第二定律.
D中冰箱可以通过做功从箱内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.
学习任务二
变式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
[解析]热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现,而热力学第二定律则指出内能和其他形式的能发生转化的方向性,两者并不矛盾,选项A、C、D错误,B正确.
学习任务二
【要点总结】
热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础,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.
(1)热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式,对自然过程没有任何限制,是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性.告诫人们:第一类永动机不可能制成.
(2)热力学第二定律揭示了有关热的物理过程都具有方向性,明确哪些过程可以自发地进行,哪些过程必须借助于外界条件才能进行.告诫人们:第二类永动机不可能制成.
学习任务三　能源是有限的
学习任务三
[教材链接]阅读教材“能源是有限的”相关内容,完成下列填空:
(1)能源:具有　　　　　的容易利用的储能物质.
(2)能量耗散:使用的能源转化成　　　　分散在环境中,不能自动聚集起来驱动机器做功,这样的转化过程叫作能量耗散.
(3)能源的使用过程中虽然能的总量保持不变,但能量的　　　　下降了,　　　　减少了.
能源
高品质　
内能
品质
学习任务三
例3 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
[解析] 根据能量守恒定律可知,在能源使用过程中,能量在数量上并未减少,A正确,C错误;
虽然总能量不会减少,但是由于能量的品质降低,无法再利用,故还需要节约能源,B错误;
根据能量守恒定律可知,能量不会被创造,也不会消失,D错误.
学习任务三
【要点总结】
能量与能源的区别
(1)自然界中的能量是守恒的,既不会增加也不会减少.
(2)能量耗散是能量从高品质能源向低品质能量转化的过程.
(3)能量总量不变,但能量品质会下降即能源减少,故我们要节约能源.
素养提升
熵与熵增加原理
熵用来描述一个系统的无序程度.根据熵的含义,热力学系统处于非平衡态时的分子热运动有一定的有序性,因此,其熵值较小;当其达到平衡态后,其分子热运动的无序性达到极高程度,其熵值达到最大值.
从微观角度看,热力学第二定律是一个统计规律:对于不与外界进行物质和能量交换的一个孤立热力学系统而言,所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程,因此,总是朝着熵增加的方向进行,或者说,一个孤立系统总的熵值总是不减少的,这就是熵增加原理,也就是热力学第二定律的另一种表述形式.
熵增加原理的适用对象是孤立系统,如果是非孤立系统,熵有可能减少.
素养提升
示例　[2023·杭州四中期末] 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
[解析] 熵是分子运动无序程度的量度,熵越大,分子运动无序程度越大,故A、D正确;
孤立系统中发生的任何实际过程,其能量的总值保持不变,而其熵值是增加的,故B错误,C正确.
课堂小结
课后习题
1.汽车行驶时，要消耗汽油。尽量详尽地说明：汽油燃烧时释放的化学能通过哪些途径最终转化成了周围环境的内能。
1.汽油燃烧时释放的化学能推动活塞做功过程中，主要通过三个途径将化学能转化为内能：一是活塞与缸体间有摩擦，摩擦力做负功，产生热量，缸体温度升高，内能增加，向周围空间散热；二是活塞压缩缸内气体做功，缸内气体温度升高，带动缸体温度升高，由于与周围环境的热交换转化为环境的内能；三是排气冲程中喷出的热气也会带走一部分热量。
课后习题
2.以下哪些现象能够发生、哪些不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？
（1）一杯热茶自然放置，茶会自动变得更热。
（2）蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能。
（3）桶中混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。
（4）电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体。
2.(1)(2)不能发生，(3)(4)能够发生；不违背
提示：(1)不可能。热茶温度比周围环境温度高，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。
(2)不可能。蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功，即热蒸汽推动活塞做功，这一过程
中，一方面由于活塞摩擦汽缸而产生内能，另一方面热蒸汽与周围环境有温度差，蒸汽机会向周围环境散热。所以，蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能是不可能的。
(3)可能。混浊的泥水静置一段时间后，由于泥沙比水的密度大，泥沙会自动下沉，从而使得上面的浑水变清了。此过程不违背热力学第二定律，泥沙的重心降低，重力势能减少了，水的重心升高，水的重力势能增加了，但系统总的重力势能减少了，最终转化为内能，而机械能百分百地转化为内能是可能的。
(4)可能。电冰箱通电后，电冰箱内的压缩机工作，消耗电能，将热量由箱内低温物体传递到箱外高温物体。没有违背热力学第二定律，因为它是通过消耗了电能从而引起其他变化的。
课后习题
3.一间密闭的房间里放置了一台电冰箱，为了使房间降温，有人出了一个主意，建议把冰箱接通电源，打开冰箱门，让冰箱的“冷气”进入房间中，房间就变冷了。这种方法可行吗 请说明道理。
3.不可行。因为电冰箱的压缩机工作后，消耗电能，才能将冰箱内空气的内能转移到冰箱外部，从而使冰箱内部的温度降低。冰箱内部减少的内能都转移到冰箱外部的环境中去了。打开冰箱门后，室内空气的内能只是被冰箱吸收后又被放出，所以室温不会降低。反而，压缩机工作时，会将一部分电能转化为内能，故室内温度会有少许升高。

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