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第三章 热力学定律
3.4 热力学第二定律
目
录
CONTENTS
1 学习目标
2 新课导入
3 新课讲解
4 课堂小结
5 典例分析
当堂小练
6
1.了解热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。知道具有方向性的过程为不可逆的。
2.了解热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功。
3.能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题,并能解决一些实际问题。
4.了解能量耗散、能源和环境。
学习目标
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？
新课导入
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。
符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？
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。
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。
符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？
气体的膨胀有特定的方向性：
只能自发地向低压空间膨胀。
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。
符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？
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。
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，例如，热由高温物体传向低温物体，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。
一、热力学第二定律
热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
热力学第二定律是用否定语句表述的（绝大多数物理定律都是用肯定语句表述的），它告诉我们什么样的过程不可能发生。
1、热力学第二定律的克劳修斯表述
（德国物理学家克劳修斯在1850年提出）：
⑴这里阐述的是热传递的方向性。
⑵“自发”二字的意义：
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，热量就能从一个物体传向另一个物体。
当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。
新课讲解
⑶克劳修斯表述也相当于：
如果一台制冷机，制冷系数为： ，W为外界对机器做的功，Q2为从低温物体吸收的热量。
不可能造成这样一台制冷机器，W→0，ε→∝，该机器在一个循环动作完成后，外界没有变化，唯一的结果是把Q2从低温物体传送到高温物体。
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？
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。但是这不是自发的过程，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。
一旦切断电源，冰箱的压缩机就停止工作，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。自发的过程是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品，使其温度逐渐升高。
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。
热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。
热机的工作过程
⑴从能量转化的角度看，热机的工作分为两个阶段：
①燃烧燃料
工作物质把自己的内能变成机械能
燃料中的化学能变成工作物质的内能
②对外做功
⑵从能流分配的角度看：
W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。
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。
2、热力学第二定律的开尔文表述
（英国物理学家开尔文在1851年提出）：
⑴这里阐述的是机械能与内能转化的方向性。
⑵“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。
⑶克劳修斯表述也可以改为：
第二类永动机是不可能制造成功的。
如果一台热机，效率 ，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， η＝1的热机称为第二类永动机。
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？
上述现象是不可能发生的。
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。
热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等价的。
Q1──热机从T1吸热
A ──热机输出功
Q2──热机从T2吸热Q1+Q2──致冷机向T1放热
证明：用反正法（假设开尔文表述不成立）
假设：热机从高温热源T1 吸收热量Q1 ，全部变成有用功A而不产生其它影响。
用这部热机做的功A去驱动另一部制冷机，它从低温热源T2吸收热量Q2 ，在高温热源放出A + Q2 ＝ Q1 +Q2，于是两部机器合起来，总的效果等于一部机器，它从低温热源T2吸收热量Q2 ，在高温热源放出Q2 ，此外没有其它变化，这是违反克劳修斯表述。
等效
热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。
证明：用反正法（克劳修斯表述不成立）
假设：热量可以从低温物体传到高温物体，因而可以设计一卡诺热机，工作于这两个热源之间，从高温热源T1 吸收热量Q1 ，向低温热源放出热量Q2 ，同时对外做功A ；我们使Q2自动传到高温热源。经过一个循环后，总的效果是从高温热源T1吸取热量Q1 －｜Q2｜，低温热源状态不变。这相当于是从单一热源吸取热量对外做功的机器，因而违了开尔文表述。
等效
T2──低温热源
Q2──热量通过假想装置自动地从T2传向T1
Q1──卡诺热机从T1吸热
A ──卡诺热机对外作功
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。
每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。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”。
1、能量耗散
2、品质降低
机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的能量。
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。
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。
课堂小结
【例题1】根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（　　）
A.功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功
B.热可以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
C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的
D.随着技术的进步，热机的效率可以达到100%
C
典例分析
解析：
功可以全部转化为热，根据热力学第二定律的开尔文表述，不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响，把热全部转换为功并不是不可能，只是需要产生其他影响而已，所以A错误；热可以从高温物体传到低温物体，根据热力学第二定律的克劳修斯表述，不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，也就是说热量可以从低温物体传递到高温物体，只是需要产生其他影响，所以B错误；一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，所以C正确；热机的效率绝对不可能达到100%，一定会有能量损失，所以D错误。
【例题2】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
A
不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,故A正确;从单一热库吸收热量而对外做功的第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,故B错误;热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能,而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能,故C错误;热量能从高温物体传向低温物体,在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体。故D错误。。
解析：
【例题3】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
D
解析：
能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再自动聚集起来,其满足热力学第一定律,也符合热力学第二定律,能量在数量上并未减少,但是可利用的品质上降低了。能量耗散反映了涉及热运动的宏观过程都具有方向性,所以A、B、C错误,D正确。
1、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。
熵与熵增加原理
2、不可逆的现象可以从微观角度来解释。
设想开始时有4个气体分子分布在A中。如果没有隔板，对于这4个分子中的每一个都有两种可能性，即它处在A中，或处在B中。4个分子共有24＝16种可能的分布，如下右图所示。
这16种分布中的每一种是一种微观态。在自由膨胀前，只有一个微观态，即4个分子都在A中。自由膨胀后，16个微观态都可能实现。自由膨胀前的宏观态只包含第一个微观态，自由膨胀后的宏观态包含16个微观态。假定实现每一微观态的概率是相等的，则自由膨胀后回复到自由膨胀前状态的概率为1/16。
一般地说，如果A中气体数量为N个，则自由膨胀后的气体要回复到自由膨胀前的概率为 。实际上，气体内的分子数很大，因此自由膨胀的气体要自发地回复到膨胀前的状态实际上是不可能的。
3、有序和无序
相对于膨胀后的状态，物理学中把气体膨胀前的状态叫作有序状态，而气体自由膨胀后的状态变得更混乱与无序，是无序状态。
一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。
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。
4、熵
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。
5、熵增加原理
从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。熵的概念现在已经应用于信息学、天体物理学、生命科学、社会学等领域，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义。
1、根据热力学定律,下列判断正确的是(　　)
A.空调可以制冷说明热量可以自发地从低温物体传到高温物体
B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的
C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化
D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行
B
当堂小练
解析：热量不能自发地从低温物体传到高温物体,A错;由热力学第二定律可知,B正确;热量从低温物体传给高温物体时一定会引起其他变化,C错;只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的,D错。
2、关于热力学定律,下列说法正确的是(　　)
A.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加
C.不可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功
D.不可能使热量从低温物体传向高温物体
解析：根据热力学第二定律可知,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程,故A正确;做功和热传递是改变物体内能的两种方法,由热力学第一定律知,对物体做功,内能不一定增加,故B错误;根据热力学第二定律可知,若产生其他影响,可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功,故C错误;根据热力学第二定律,不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体,但在外界的作用下,能使热量从低温物体传向高温物体,故D错误。
A
3、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收集起来被人类利用
C.机械能向内能的转化是能够全额发生的
D.能量耗散导致能量品质降低
BCD
解析：能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收,能量耗散遵循能量守恒定律,但使得能量品质降低,故A错误,D正确;耗散的内能很难再被收集起来利用,B正确;机械能在一定的条件下可以全部转化为内能,C正确。故选B、C、D。
THANKS

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