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§3.4 热力学第二定律
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：
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？
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。
1.宏观自然过程的方向性
(1)传热具有方向性
两个温度不同的物体相互接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体,要实现低温物体向高温物体传递热量,必须借助外界的帮助,因而产生其他影响。
(2)气体的扩散现象具有方向性
两种不同的气体可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合气体,但这种均匀的混合气体,决不会自发地分开,成为两种不同的气体。
(3)机械能和内能的转化过程具有方向性
物体在地面上运动,因摩擦而逐渐停止下来,但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后,在地面上重新运动起来。
(4)气体向真空膨胀具有方向性
气体可自发地向真空容器内膨胀,但绝不可能出现气体自发地从容器中流出,使容器内变为真空。
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。
2．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
热力学第二定律中，“自发的”的含义。
探究：
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,热量就能从高温物体传到低温物体。“自发”的方向是从高温物体指向低温物体。
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？
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：
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。
一、热力学第二定律
热力学第二定律中，“不可能从单一热库吸收热量”、“不产生其他影响”的含义。
探究：
开尔文表述中“不可能从单一热库吸收热量”的含义:不仅要从一个热库吸热,而且一定会向另一个热库放热。即热机工作时须有高温热库和低温热库。
开尔文表述中“不产生其他影响”的含义: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。
一、热力学第二定律
4．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。
5．第二类永动机
一、热力学第二定律
只从单一热库吸收热量,使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
（2）第二类永动机不可能制成
（1）第二类永动机
这类机器虽然不违背能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的,热机在工作过程中必然排出部分热量,即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失,热机排出气体的温度总比周围空气的温度高,它会向空气散热,也总有W（3）热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成。
一、热力学第二定律
6．与热力学第一定律的比较：
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
定律揭示 的问题 从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系 指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的
机械能和 内能的转化 当摩擦力做功时,机械能可以全部转化为内能 内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能
热量的 传递 热量可以从高温物体自发地传到低温物体 热量不能自发地从低温物体传到高温物体
表述形式 只有一种表述形式 有多种表述形式
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
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
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。
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。
【例1】 如图所示的汽缸内盛有一定量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气。现将活塞杆与外界连接,在外界的帮助下使其缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是
(　　)
A.气体从单一热库吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律
B.气体从单一热库吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律
C.气体从单一热库吸热,全用来对外做功,但此过程不违
反热力学第二定律
D.A、B、C三种说法都不对
C
对点演练1.下列关于热力学第二定律的说法正确的是
(　　)
A.随着科技的进步,所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的
C.机械能可以全部转化为内能,但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响
D.气体向真空的自由膨胀是可逆的
C
【例2】 (多选)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
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对点演练2.(2023河北承德高二期末)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.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机
B.第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律
C.做功不一定改变物体的内能,热传递也不一定改变物体的内能,但同时做功和热传递一定会改变物体的内能
D.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能是可能的
【例3】 (多选)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再收集起来被人类利用
C.机械能可以全部转化为内能
D.能量耗散导致能量品质降低
BCD
对点演练3.(2023湖北孝感高二期中)关于能源和能量,下列说法正确的是(　　)
A.随着科技的发展,第二类永动机是可以制成的
B.能量被使用后就消失了,所以要节约资源
C.能量的耗散反映出自然界宏观过程的方向性
D.自然界的石油、煤炭等资源可供人类永久使用
C

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