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3.4热力学第二定律
选择性必修第三册&第三章 热力学定律
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？
课堂引入
阅读教材p59页，并回答问题。
1.热力学第二定律的克劳修斯表述内容？
2.热力学第二定律的开尔文表述内容？
阅读并回答：
一、热力学第二定律—思考
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
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？
一、热力学第二定律—方向性
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
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
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。
一、热力学第二定律—方向性
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。
（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：
高温
低温
自发
外界做功
外界环境发生变化
克劳修斯
一、热力学第二定律—克劳修斯表述
宏观自然过程的方向性
思考
电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？
电冰箱制冷系统
贮藏的食品
大气
热量
热量
电源
做功
一、热力学第二定律—克劳修斯表述
宏观自然过程的方向性
热传导的方向性
热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行。
要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。
一、热力学第二定律—克劳修斯表述
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：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W？
热机工作的两个阶段：
一、热力学第二定律—开尔文表述
高温热库
低温热库
Q
W
燃料在燃烧(高温物体)
冷凝器或大气(低温物体)
自发
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
一、热力学第二定律—开尔文表述
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。
一、热力学第二定律—开尔文表述
（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。
一、热力学第二定律—开尔文表述
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
机械能与内能转化的具有方向性
思考与讨论
一、热力学第二定律—开尔文表述
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。
　 　 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。
一、热力学第二定律—区别
阅读教材p61页，并回答问题。
1.能量和能源的区别？
阅读并回答：
二、能源是有限的—思考
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
二、能源是有限的—能量
1.能量耗散： 能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。
化学能→电能
电能→内能和光能
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
→耗散在环境中
二、能源是有限的—能量耗散
2.能源
（2）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
二、能源是有限的—能源
（1）定义：是指具有高品质的容易利用的储能物质。
拓展：熵增
熵及熵增加原理
1.熵：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。
二、能源是有限的—拓展：熵增
　(多选)如图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是(　　)
典例分析
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
[答案]　BC
[解析]　热力学第一定律适用于所有的热学过程，C正确；由热力学第二定律可知，A、D错误，B正确。
典例分析
　1.(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是
(　　)
A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也能从低温物体传到高温物体
C．功可以全部变成热量，但热量不可能全部变成功
D．功可以全部变成热量，热量也可能全部变成功
BD
典例分析
　 (多选)关于第二类永动机，下列说法正确的是(　　)
A．没有冷凝器，只有单一的热库，能将从单一热库吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机
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
典例分析
　2.下列说法正确的是(　　)
A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功
B．热机必须具有两个热库，才能实现热功转化
C．热机的效率不可能大于1，但可能等于1
D．热机的效率必定小于1
D
典例分析
3．(多选)下列说法正确的是(　 　)
A．第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律
B．第二类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律
C．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的
D．热力学第二定律的两种表述是等价的
ACD
典例分析
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
课堂总结
1．热力学第二定律使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(　　)
A．都具有方向性　　 B．只是部分具有方向性
C．没有方向性 D．无法确定
解析：一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
A
课堂练习
2．(多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　 　)
A．热量能够自发地从高温物体传到低温物体
B．不可能使热量从低温物体传向高温物体
C．从单一热库吸收热量，可以使之完全变成功
D．气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程
ACD
课堂练习
3．关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是(　　)
A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的
B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾
C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别
D．能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律
B
课堂练习
4.如图所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，汽缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触面是光滑的，但不漏气。现将活塞与杆连接，使其缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并对外做功。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(　　)
课堂练习
A．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，所以此过程违反了热力学第二定律
B．气体是从单一热库吸热，但并未全部用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律
C．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律
D．以上三种说法都不对
答案：C
课堂练习
5．某同学家新买了一台双门电冰箱，冷藏室容积107 L，冷冻室容积118 L，假设室内空气为理想气体。
(1)若室内空气摩尔体积为22.5×10-3 m3/mol，阿伏加德罗常数为6.0×1023mol-1，在家中关闭冰箱密封门后，电冰箱的冷藏室和冷冻室内大约共有多少个空气分子？
答案：(1)6.0×1024个
课堂练习
(2)若室内温度为27 ℃，大气压为1×105 Pa，关闭冰箱密封门通电工作一段时间后，冷藏室内温度降为6 ℃，冷冻室温度降为－9 ℃，此时冷藏室与冷冻室中空气的压强差多大？
答案：(2)5.0×103 Pa
课堂练习
课堂练习
课堂练习
(3)冰箱工作时把热量从温度较低的冰箱内部传到温度较高的冰箱外部，请分析说明这是否违背热力学第二定律。
答案：(3)不违背热力学第二定律，因为热量不是自发地由低温物体向高温物体传递的，在冰箱工作过程中要消耗电能。
解析：(3)不违背热力学第二定律，因为热量不是自发地由低温物体向高温物体传递的，在冰箱工作过程中要消耗电能。
课堂练习

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