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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？
观察与思考：
气体的膨胀有特定的方向性：
只能自发地向低压空间膨胀。
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？
热量会自发地从高温物体传给低温物体,从而使低温物体升温，高温物体温度降低.
没有任何外界的影响或帮助
物体间的热传递有特定的方向性：
一辆关闭发动机的汽车在水平地面上滑行，由于克服摩擦力做功，最后要停下来.在这个过程中，汽车的机械能全部转化成为内能，使汽车和地面的温度升高.
我们能不能看到这样的现象：
一辆汽车靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使静止的汽车重新运动起来吗?
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
温度由高到低
体积由小到大
密度由密到疏
由功到热
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。
第三章 热力学定律
§3.4 热力学第二定律　
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。
一、热力学第二定律
（1）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）热量可以从低温物体传到高温物体上，但会引起其它变化。
（3）克劳修斯表述阐述的是热传递的方向性。
2.诠释：
（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日）
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。
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
一、热力学第二定律
第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；
第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。
热机工作的两个阶段：
高温热库
低温热库
Q
燃料在燃烧（高温物体）
冷凝器或大气（低温物体）
W
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
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
一、热力学第二定律
3．热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响。
4.诠释：
开尔文
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。
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：能否避免这些损失，使热机燃料产生的热量Q=W ？
一、热力学第二定律
3．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。
4.诠释：
开尔文
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。
⑶开尔文表述也可以改为：
第二类永动机是不可能制造成的。
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＝100%的热机称为第二类永动机。
在水平地面上滚动的足球，摩擦力做负功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时产生的热量散失在周围的环境中。
上述现象是不可能发生的。
问题的实质是：机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。
机械能 内能
自发
全部
机械能 内能
自发
全部
×
机械能和内能的转化过程具有方向性
会不会有这样的现象∶静止在水平地面上的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来?
5、热力学第二定律的两种表述之间的关系
1、热量不能自发地从低温物体传到高温物体.
热力学第二定律的两种表述
1、按热传递的方向性来表述
2、是按机械能与内能转化过程的方向来表述.
两种表述的实质
2、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。
7、热力学第二定律的其他描述：
（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。
6、热力学第二定律的意义
揭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。
(1)适用于宏观过程对微观过程不适用，如布朗运动。
(2)孤立系统有限范围,对整个宇宙不适用。
8、热力学第二定律的适用范围
9、与热力学第一定律的关系
热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响.所以二者相互独立，又相互补充.
　 　
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。
热力学第二定律与第一定律的比较
1.(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
小试牛刀
2.关于第二类永动机，下列说法正确的是 （ ）
A.它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律
B.它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律
C.它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律
D.它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律
C
小试牛刀
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
请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？
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:
能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低，也叫能量降退．
虽然能量不会减少，但能源越来越少.因此会出现“能源危机”.
二、能源是有限的
3.“能源危机”的应对方法
①节约能源；
②开发新能源。
二、能源是有限的
续上
3．(多选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是（　　）
A．禁止使用煤、石油和天然气
B．开发使用核能、太阳能
C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D．植树造林
BD
牛刀小试
1、自然界的很多过程是不可逆的。
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。
2、不可逆的现象可以从微观角度来解释。
设想开始时有4个气体分子分布在A中。如果没有隔板，对于这4个分子中的每一个都有两种可能性，即它处在A中，或处在B中。4个分子共有24＝16种可能的分布，如下右图所示。
熵与熵增加原理
拓展学习
这16种分布中的每一种是一种微观态。在自由膨胀前，只有一个微观态，即4个分子都在A中。自由膨胀后，16个微观态都可能实现。自由膨胀前的宏观态只包含第一个微观态，自由膨胀后的宏观态包含16个微观态。假定实现每一微观态的概率是相等的，则自由膨胀后回复到自由膨胀前状态的概率为1/16。
一般地说，如果A中气体数量为N个，则自由膨胀后的气体要回复到自由膨胀前的概率为 。实际上，气体内的分子数很大，因此自由膨胀的气体要自发地回复到膨胀前的状态实际上是不可能的。
拓展学习
3、有序和无序
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。
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。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。
1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，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。
4、熵
5、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、社会学等领域，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义。
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。
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。
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
牛刀小试

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