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高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第4节: 热力学第二定律
第4节：热力学第二定律
温故知新——复习能量守恒定律，知道热现象的方向性
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。
温故知新——复习能量守恒定律，知道热现象的方向性
气体的膨胀有特定的方向性：
只能自发地向低压空间膨胀。
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？
温故知新——复习能量守恒定律，知道热现象的方向性
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？
扩散有特定的方向性：
只能自发地由密度大的区域向密度小的区域扩散。
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，例如，热由高温物体传向低温物体，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。
温故知新——复习能量守恒定律，知道热现象的方向性
德国物理学家和数学家克劳修斯(热力学的主要奠基人之一)敏锐的察觉到能量在转化或转移过程中，不仅总量遵循守恒，还存在方向性的问题。其中首次明确指出热力学第二定律的基本概念。
（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日）
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
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：
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）
高温热库T1
低温热库T2
Q1
Q2
做功
制冷机
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
2、制冷机工作原理
克劳修斯表述的理解：
一、热力学第二定律
(3)“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。
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。
(1)克劳修斯表述阐述的是传热的方向性——两个温度不同的物体相互接触时,热量
可以自发地从高温物体传向低温物体。强调了“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.”
(2)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。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”。如：夏天空调压缩机工作时，
可将室内低温空气的热量传到室外高温的空气中去。
热机的工作过程
①燃烧燃料
工作物质把自己的内能变成机械能
燃料中的化学能变成工作物质的内能
②对外做功
⑵从能流分配的角度看：
W⑴从能量转化的角度看，热机的工作分为两个阶段：
一、热力学第二定律
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
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。
（1）开尔文表述揭示机械能与内能转化方向性——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。
（2）“不可能从单一热库吸收热量”指：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另
一个热库放热。单独提供热不足以给出推动力，还必须要冷。没有冷，热将是无用的。
（3）“不产生其他影响”的涵义是：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。
（4）自然界的一切自发过程都不可逆。
在整个自然界中，无论是他有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程。如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，人的一生从婴儿到老年到死亡等。
卡尔文表述的理解：
一、热力学第二定律
热力学第二定律 两种表述的实质
克劳修斯表述
卡尔文表述
热量不能自发地从低
温物体传到高温物体.
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.
按热传递的方向性来表述
是按机械能与内能转化过程的方向来表述.
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。
二、热力学第二定律的两种表述之间的关系
　 　 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。
三、热力学第二定律与第一定律的比较
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
四、能源是有限的
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。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、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
1、能量耗散
2、品质降低
机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的能量。
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。
能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。
四、能源是有限的
【例题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
解析：
功可以全部转化为热，根据热力学第二定律的开尔文表述，不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响，把热全部转换为功并不是不可能，只是需要产生其他影响而已，所以A错误；热可以从高温物体传到低温物体，根据热力学第二定律的克劳修斯表述，不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，也就是说热量可以从低温物体传递到高温物体，只是需要产生其他影响，所以B错误；一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，所以C正确；热机的效率绝对不可能达到100%，一定会有能量损失，所以D错误。
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第4节: 热力学第二定律
【例题2】在热学中,下列说法正确的是 (　　)
A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体
A
解析：
不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,故A正确;从单一热库吸收热量而对外做功的第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,故B错误;热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能,而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能,故C错误;热量能从高温物体传向低温物体,在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体。故D错误。。
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第4节: 热力学第二定律
【例题3】热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　　)
A.能量耗散不符合热力学第一定律
B.能量耗散不符合热力学第二定律
C.能量耗散过程中能量不守恒
D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的与热现象有关的宏观过程具有方向性
D
解析：
能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再自动聚集起来,其满足热力学第一定律,也符合热力学第二定律,能量在数量上并未减少,但是可利用的品质上降低了。能量耗散反映了涉及热运动的宏观过程都具有方向性,所以A、B、C错误,D正确。
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第4节: 热力学第二定律
1、根据热力学定律,下列判断正确的是(　　)
A.空调可以制冷说明热量可以自发地从低温物体传到高温物体
B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的
C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化
D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行
B
热量不能自发地从低温物体传到高温物体,A错;由热力学第二定律可知,B正确;热量从低温物体传给高温物体时一定会引起其他变化,C错;只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的,D错。
小试牛刀
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第4节: 热力学第二定律
2、关于热力学定律,下列说法正确的是(　　)
A.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加
C.不可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功
D.不可能使热量从低温物体传向高温物体
根据热力学第二定律可知,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程,故A正确;做功和热传递是改变物体内能的两种方法,由热力学第一定律知,对物体做功,内能不一定增加,故B错误;根据热力学第二定律可知,若产生其他影响,可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功,故C错误;根据热力学第二定律,不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体,但在外界的作用下,能使热量从低温物体传向高温物体,故D错误。
A
小试牛刀
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第4节: 热力学第二定律
3、下列关于能量耗散的说法,正确的是(　 　)
A.能量耗散使能的总量减少,违背了能量守恒定律
B.能量耗散是指散失在环境中的内能很难收集起来被人类利用
C.机械能向内能的转化是能够全额发生的
D.能量耗散导致能量品质降低
BCD
能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收,能量耗散遵循能量守恒定律,但使得能量品质降低,故A错误,D正确;耗散的内能很难再被收集起来利用,B正确;机械能在一定的条件下可以全部转化为内能,C正确。故选B、C、D。
小试牛刀
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第4节: 热力学第二定律
4.下列说法中可行的是 ( )
① 将地球上所有海水的温度降低0.1℃，以放出大量内能供人类使用
② 制造一种机器，把物体与地面摩擦所产生的热量全部收集起来再全部加以使用
③ 建造一只可以从海洋中提取热量的船，把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转
④ 制造一种效率为100％的热机
A.．①可行 B．①④可行 C．②④可行 D．①②③④都不可行
D
小试牛刀
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