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第4节 热力学
第二定律
第三章
人教版（2019）选择性必修三
CONTENTS
目录
热力学第二定律
01
能源是有限的
02
熵与熵增加原理
03
学以致用提高练习
04
情景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？
情景二：将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？
铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同。
问题：一段时间后会不会出现铁块温度更高，水的温度更低的情况？
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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。那么符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？请举例说明？
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？
不能
不能
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观看视频思考与讨论：
1.物体间的热传递过程可逆吗？
2.气体的膨胀过程可逆吗？
3.液滴的扩散过程可逆吗？
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现象解释：
1.不可逆，物体间的热传递有特定的方向性，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。
2.不可逆，气体的膨胀有特定的方向性，只能自发地向低压空间膨胀。
3.不可逆，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。
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。
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。
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一、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。（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是将热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化）
克劳修斯
（1）制冷机工作原理
高温热库T1
低温热库T2
Q1
Q2
做功
制冷机
W
Q1=Q2+W
Q1：向高温热库放出的热量
W：外界所做的功
Q2：从低温热库吸收的热量
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（2）克劳修斯表述的说明
③这里阐述的是热传递的方向性。
①“自发”二字的意义：
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。
高温
低温
自发
除非外界做功外界环境发生变化
②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。
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【问题思考】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？
不违背热力学第二定律
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。
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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。（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，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）制热机工作原理
高温热库T1
低温热库T2
Q1
Q2
对外做功
热机
W
开尔文
Q1=Q2+W
Q1：从高温热库吸收的热量
W：对外界所做的功
Q2：向低温热库散发的热量
注意：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。
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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：
柴油机
汽缸
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（2）开尔文表述的说明
①“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。
②这里阐述的是机械能与内能转化的方向性。
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（过程是不可逆的）
③开尔文表述也可以改为：第二类永动机是不可能制造成功的。
如果一台热机，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＝1的热机称为第二类永动机。
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3.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。
实质：按热传递的方向性来表述
（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
实质：是按机械能与内能转化过程的方向来表述
注意：
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如果克劳修斯表达不成立，则开尔文表述也不成立。
③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。
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4.热力学第二定律与第一定律的比较
　 　 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。
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二、能源是有限的
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
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1.能量耗散：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，流散到周围环境中，无法重新自动聚集起来加以利用的现象。
2.能源：是指具有高品质的容易利用的储能物质。
3.能源是有限的资源。能源的使用过程中虽然能量的总量保持守恒，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。
高品质：机械能、光能、化学能、电能
低品质：内能
转化方向不可逆
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自然界的很多过程是不可逆的
三、熵与熵增加原理
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。
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1.熵
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。
2.熵增加原理
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。
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3.熵增定律视频演示
一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。
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热力学第二定律
宏观自然过程的方向性
热力学第二定律
热力学第二定律克劳修斯表述
热力学第二定律开尔文表述
能源是有限的
第二类永动机
熵和熵增加原理
高温热库T1
低温热库T2
Q1
Q2
做功
制冷机
W
高温热库T1
低温热库T2
Q1
Q2
对外做功
热机
W
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四、学以致用提高练习
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
【答案】A
【解析】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。
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2．(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．满足能量守恒定律的客观过程并不是都可以自发地进行的
B．一切宏观热力学过程都具有方向性
C．制冷系统将冰箱内温度较低的食品的热量传给外界较高温度的空气，这违反了“热量只能从温度较高的物体传到温度较低的物体”的规律
D．电冰箱从箱内温度较低的食品吸收的热量等于冰箱向外界空气释放的热量
【答案】AB
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3.（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
【答案】ACD
4．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
【答案】C
【解析】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。
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5.在热学中,下列说法正确的是 (　　)
A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体
【答案】A
6.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
【答案】D
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7.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
【答案】C
【解析】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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布置作业（再见）

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