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第三章 热力学定律
第四节 热力学第二定律
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
02
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。
01
学习目标
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
03
知道熵增加原理
04
新课导入
问题一：一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 你能得出什么结论？
结论一：扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。（微观）
新课导入
问题二：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？
结论二：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）
一、热力学第二定律
探究小结：自然界发生的一切过程能量都是守恒，并不是所有符合能量守恒的过程都能自发地进行，只要涉及热现象，无论是微观还是宏观，都有特定的方向性。
问题三：你还能举出类似的例子吗？
如：热量有高温物体传向低温物体，而相反的过程，即使没有违背能量守恒定律，也不会自发发生。
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。
一、热力学第二定律
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
自发
克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。
二、克劳修斯表述
思考与讨论：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？如果停止供电，会出现什么现象？
二、克劳修斯表述
低温
冰箱内的食品
高温
冰箱外的空气
自发
外界做功
向压缩机供电
停止供电
二、克劳修斯表述
二、克劳修斯表述
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。如果停止供电，热量会自发地从空气进入冰箱。
三、开尔文表述
问题四：能量的转化是否也具有方向性？
柴油机
思考与讨论：柴油机做功过程中能量的去向。并分析机械功和燃料产生热量之间的关系
燃料产生的热量Q
漏气热损
散热热损
摩擦热损
输出机械功W
即：Q＞W
结论：燃料产生的热量Q大于输出机械功W
思考：能否避免这些能量损失，使W=Q
三、开尔文表述
内能耗散在空气中
高温热库
低温热库
Q
W
燃料在气缸内燃烧(高温物体)
冷凝器或大气(低温物体)
自发
高温热库的热量（Q）不能全部转化为有用功( W )
三、开尔文表述
即：W< Q
三、开尔文表述
2.开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
对开尔文表述的理解：
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：机械能可以完全转化为内能，但内能不能完全转化为机械能
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。
三、开尔文表述
课堂训练
1.正误判断
(1)机械能可以完全转化为内能。(　　)
(2)内能不可能完全转化为机械能。(　　)
(3)能够制成的热机既不违背能量守恒定律,也不违背热力学第二定律。( 　)
(4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。(　　)
(5)一个宏观态所对应的微观态数目越多,则熵越大。(　　)
(6)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。(　　)
(7)根据能量守恒定律可知,节约能源是没有必要的。(　　)
(8)能量耗散会导致总能量减少,也会导致能量品质降低。(　　)
(9)能源的开发和利用要考虑其对环境的影响。(　　)
答案(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√　(7)×　(8)×　(9)√
2.下列说法正确的是 ( )
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．气体的扩散过程具有方向性
D．一切形式能量转化都不具有方向性
课堂训练
AC
3.根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是（ ）
A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化
B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它的变化的热机是可实现的
C．致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中而不引起其它变化
D．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
AD
课堂训练
4.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
课堂训练
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
三、开尔文表述
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。
四、能源是有限的
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
五、熵增原理
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。
五、熵增原理
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%。
②机械能与内能转化的方向性
二、能源是有限的
4.微观表达：熵增加原理
课堂小结
提高效率，节约能源
课后练
1.能源利用的过程实质上是(　　)
A.能量的消失过程
B.能量的创造过程
C.能量的转化和转移过程
D.能量的转化传递并且逐渐消失的过程
C
2.关于第二类永动机,下列说法正确的是(　　)
A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机是第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能
D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
AD
课后练
3.关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是(　　)
A.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能
D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一热库吸收热量,完全变成功也是可能的
D
课后练
4、下列说法正确的是 (　　)
A．机械能全部变成内能是不可能的
B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式
C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体
D．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的
D
课后练
致谢
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