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§4 热力学第二定律
第三章 热力学定律体
目录
CONTENTS
热力学第二定律
01
熵与熵增加原理
能源是有限的
03
02
观察与思考：
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？
思考与讨论：
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。
1.符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？
2.你是否可以举例证明你的观点？
思考与讨论：
融化的冰糕，是否可以在同温下是否可以重新凝固？
撒了气的气球，是否可以自发的把散掉的气体重新收集起来？
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。
共同特征：
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，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。
热力学第二定律
01
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，比如冷机做功。
（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？
思考与讨论：
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：
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。
（1）不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。
（2）机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。
（3）开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。
4.诠释：
开尔文
一、热力学第二定律
5．热力学第二定律的两种表述是等价的。
如果克劳修斯表达不成立，则开尔文表述也不成立。
一、热力学第二定律
6．与热力学第一定律的比较：
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、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
联系 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，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
思考与讨论：
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。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
能源是有限的
02
二、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。在各种各样的活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能……最终都转化成内能，流散到周围的环境中。
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”。
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。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。
熵与熵增加原理
03
三、熵与熵增加原理
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。
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。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。
课堂练习
04
1．以下说法正确的是（　　）A．热量自发地从甲物体传到乙物体，甲的内能不一定比乙大B．风能不可循环使用C．水能是可再生能源，所以可制造一台利用水能的机器，效率可达100％D．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的
A
【答案】A【详解】A．热量自发地从甲传到乙，说明甲的温度高于乙的温度，但物体的内能除与温度有关外，还与物体体积及物质的量等因素有关，甲的内能不一定大于乙的内能，故A正确；B．风能是可再生能源，可循环使用，不断补充，故B错误；C．水能虽然是可再生能源，由热力学第二定律可知，宏观热现象具有方向性，则利用水能的机器，效率不可能达到100％，故C错误；D．煤、石油等存量是有限的，是不可再生能源，故D错误。故选A。
2．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到高温物体B．热量不可以从低温物体传到高温物体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
D
【答案】D【详解】一切与热现象有关的自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；在一定条件下，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体传向高温物体。故选D。
3．对热力学第一定律和第二定律的理解，下列说法正确的是（　　）A．热量不能由低温物体传递到高温物体B．外界对物体做功，物体的内能必定增加C．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化D．机械能不能全部转化为内能
C
【答案】C【详解】A．根据热力学第二定律可知，热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，但在一定条件下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱的工作过程，故A错误；B．根据热力学第一定律，物体内能的变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，故B错误；C．是热力学第二定律的表述形式之一，故C正确；D．机械能可以全部转化为内能，故D错误。故选C。
4．对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是（　　）A．系统的总熵只能减小，不可能增加B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小C．系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
C
【答案】C【详解】AB．由热力学第二定律可知，系统的熵只能增大，不可能减小，故AB错误；CD．系统只能自发地从比较有序的状态向更无序的状态发展，故C正确，D错误；故选C。
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