资源简介

(共24张PPT)
3.3　热力学第二定律
3.4　熵——系统无序程度的量度
1.通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律。
2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。
3.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题。
4.了解熵的概念及熵增加原理，并能解释生活中的有关现象。
学习目标
情景1：把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会几，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。是否可能发生这样的现象：原来温度相同的水和鸡蛋过一会儿水的温度自发的降低而鸡蛋温度自发上升，冷鸡蛋变成热鸡蛋？
热量自发地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的。
情景2：一滴墨水滴进一杯清水中，不久整杯水都均匀与地变黑了。有没有这样的逆过程：这杯均匀墨水中的小碳粒又自发地聚集在一起，成为一滴墨水，而其余部分又成了清水
扩散现象进行是有方向的，过程是不可逆的。
情景3：在平地上滚动的足球克服摩擦力做功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时足球、地面及周圆空气的温度略有上升。会不会有这样的现象：静止的足球和地面周国的空气自发地降低温度释内能，并将释数出的内能全部转化为动能，让足球又滚动起来
功可以自动转化为热，但热却不能自动转化为功。通过摩擦而使功转变为热的过程是不可逆的。
无数事实告诉我们：凡是实际的过程，只要涉及热现象，如热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动…都有特定方向。也就是说，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。
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。
自发变化的共同特征：不可逆性，任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。
高温
低温
自发
低温
高温
自发
克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。
电冰箱工作时，热量从低温物体传到高温物体，且其内部温度比外部温度低，它违反热力学第二定律吗？
不违反，因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。
冷冻室、冷藏室
吸收热量
外界做功
冰箱制
冷系统
大气
放出热量
热传导的方向性
①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。
②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。
③热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。
2.热力学第二定律的开尔文表述： 不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功，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，只是从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不引起其他变化）。
热机：是一种把内能转化为机械能的装置。(汽油机、柴油机、蒸汽轮机、喷气发动机等）
(3)热机工作原理和过程
对外做功
一阶段：高温热源，吸收热量Q1——燃料中化学能转化为工作物质的内能。
二阶段：推动活塞对外做功 W——工作物质内能变成机械能，排出废气向外界（低温热源）放出热量 Q2 。
高温热源
吸收热量Q1
热机
W
低温热源
放出热量Q2
热机效率：
热机（包含理想热机）的效率永远达不到100％
能量守恒：Q1=W+Q2
开尔文表述揭示机械能与内能转化方向性
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。
3.热力第学二定律的两种表述之间的关系
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。
不管如何表述，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。
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。 4.热力学第一定律和热力学第二定律的比较
二、第二类永动机
1.第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源吸收热量，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。
2.第二类永动机不可能制成，第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律，但违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律（热力学第二定律）。
3.热力学第二定律的另一种表述就是：第二类永动机不可能制成。
1.有序与无序
(1)生活中符合某种规则的现象称为有序，反之称为无序。规则越多，一个宏观状态对应的微观状态越少，出现的概率越小，我们称之为越有序。反之规则越少，一个宏观状态对应的微观状态就越多，出现的概率也越大，我们称之为越无序。
(2)热力学第二定律的微观本质：与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。
三、熵
2.熵和熵增加原理
(1)熵的定义：用来量度系统无序程度的物理量叫作熵。
(2)熵增加原理：在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增加的方向进行。
3.熵与能量退降：在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态，能量品质退化了，这种现象称为能量退降。
1. (多选)下列说法正确的是(　　)
A．机械能全部转化为内能是不可能的
B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会消失，也不会创生，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式
C．根据热力学第二定律可知，热量可能从低温物体传到高温物体
D．从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的
随堂检测
解析：机械能可以全部转化为内能，故A错误；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C正确；从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D正确。
答案：CD
2. (多选)在下列叙述中，正确的是(　　)
A．熵是物体内分子运动无序程度的量度
B．对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向减少的方向进行
C．热力学第二定律的微观实质是：熵总是增加的
D．熵值越大，表明系统内分子运动越无序
解析：熵是物体内分子运动无序程度的量度，系统内分子运动越无序，熵值越大，故A、D正确；对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行，故B错误；根据热力学第二定律，扩散、热传递等现象与温度有关，凡是与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，其实质表明熵总是增加的，故C正确。
答案：ACD
3.下列说法中，能够发生且不违背热力学第二定律的是（ ）
A. 一杯热茶自然放置，茶会自动变得更热
B. 电冰箱正常工作时把箱内低温物体的热量传递到箱外高温物体
C. 只要对蒸汽机不断革新，它就可以把蒸汽的内能全部转化成机械能
D. 利用降低海水温度放出大量的热量来发电，从而解决能源短缺的问题
解析：热传递具有方向性，热量能自发的从高温物体传到低温物体，故一杯热茶自然放置，茶会自动变得凉，不会自动变得更热，违背热力学第二定律，A不符合题意； 电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体，此过程中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，能发生，B符合题意；蒸汽机的能量损失不可避免，不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，违背了热力学第二定律，不能发生，C不符合题意；利用降低海水温度放出大量的热量来发电，需要消耗更多的其它能量，违背了热力学第二定律，故不能解决能源短缺问题，D不符合题意。
答案：B

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