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3.4 热力学第二定律
学习目标
1、了解热传导过程的方向性，通过对自然现象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、了解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的物理实质
3、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
4、了解什么是能量耗散，知道能源是有限的
5、知道熵增加原理
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：
热量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。
气体的膨胀有特定的方向性：
只能自发地向低压空间膨胀。
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。
凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。例如上面列举的这些例子，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，也不会自发地进行。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。
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（自发进行）
温度由高到低
体积由小到大
密度由密到疏
由功到热
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
1、克劳修斯(德国物理学家)表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体
一、热力学第二定律
（5）热量可以从低温物体传到高温物体，引起其他变化
（6）不可能使热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化
（1）阐述了热传递过程具有方向性
（2）“自发”：当两个温度不同的物体接触时，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，热量就能从高温物体传向低温物体。
(4) 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。
(3)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.”
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。
思考与讨论
练习、（多选）下列说法中，正确的是 (　　)
A．在自然条件下，热传递的过程是不可逆的
B．热量不可能由高温物体传递给低温物体
C．热量可以由低温物体传给高温物体
D．气体的扩散过程具有方向性
ACD
练习、（多选）. 电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了( )
A. 热量能自发地从低温物体传给高温物体
B. 在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体
C. 热量的传递过程不具有方向性
D. 在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
BD
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
不可能制造这样一台机器，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
（1）阐述了机械能与内能转化的方向性
（2）“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。
（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。
（5）可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功，产生其他影响
（4）从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的
气缸内盛有一定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁接触光滑，不漏气。缸内气体做等温膨胀。此系统是否违背热力学第二定律？
4、热力学第二定律得其他描述：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。
（1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
（2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
3、热力学第二定律的意义
提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。
热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
（2）从能量转化的角度看，热机的工作分为两个阶段：
（3）能流分配：
3、热机
（1）热机：将内能转化成机械能的机器
②对外做功：工作物质把自己的内能变成机械能
①燃烧燃料：燃料中的化学能变成工作物质的内能
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
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。
W< Q
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
（4）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。
如果一台热机，热机从热源吸取的热量Q全部变成功W，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。效率为： , 此时热机的效率η＝1(100%)， η＝1的热机称为第二类永动机。
练习、（多选）根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有(　)
A．热量能够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
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体
C．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能
BD
练习、（多选）根据热力学第二定律，下列判断正确的( 　 )
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电流的能不可能全部变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
ACD
练习、（多选）下列关于热机的说法中，正确的是（ ）
A.热机是把内能转化成机械能的装置
B.热机是把机械能转化为内能的装置.
C.只要对内燃机不断进行革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能
D.即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能
AD
练习、（多选）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，热可以全部转化为功而引起其他变化
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%
AC
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
三、能源是有限的
能量守恒定律告诉我们：
在能量转化和转移过程中利用能量，并不会使能的总量减少，那么为什么还会出现“能源危机”呢？
1、能量耗散:
(1)由热力学第二定律，能量的转移和转化具有方向性．
(2)能量耗散：系统的内能流散到周围环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用的现象．
2、品质降低:
利用能量是从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低，
虽然能量不会减少，但能源越来越少.因此会出现“能源危机”.
三、能源是有限的
高品质：机械能、光能、化学能、电能
低品质：内能
低品质：内能
能源：其实是指具有高品质的容易利用的储能物质。如石油、天然气、煤等
3、“能源危机”的应对方法
①节约能源；
②开发新能源。
练习、(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是（ ）
A.能量耗散使能量的总量减少
B.能量耗散遵守能量守恒定律
C.能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用
D.能量耗散导致能量品质的降低
BCD
练习、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
练习、（多选）以下说法正确的是(　　)
A．电冰箱内食品温度比室内温度低，说明一定条件下热传导也可以由低温物体向高温物体进行
B．内能可以转化为机械能
C．能量的耗散否定了能量的转化与守恒定律
D．能量的耗散说明自然界的宏观过程有方向性
ABD
1、自然界的很多过程是不可逆的。
熵与熵增加原理
拓展学习
2、有序状态和无序状态
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。
一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。
例如，一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空。抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。
（1）在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。
1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，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、熵的定义
4、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。
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。
（2）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。
一、热力学第二定律
1、 反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
2、 克劳修斯表述：热量不能自发从低温物体传到高温物体。
①物体间传热过程的方向性
②自发性
3、 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。
①热机的效率无法达到100%，总会有损耗。
②机械能与内能转化的方向性
二、能源是有限的
1、能源是指具有高品质的容易利用的储能物质，例石油、天然气、煤等。2、能量耗散
三、熵增加原理
课堂小结

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