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3.4 热力学第二定律
高中物理选择性必修第三册课件
主讲老师：xxx
高中物理选择性必修第三册
热力学第二定律
能源是有限的
熵与熵增加原理
总结提升
问题？
00.
高中物理选择性必修第三册
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？
热现象的方向性
01.
高中物理选择性必修第三册
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。然而，并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行。
无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，如物体间的热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动……都有特定的方向性。
高中物理选择性必修第三册
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？
热现象的方向性
02.
热力学第二定律
03.
高中物理选择性必修第三册
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（second law of thermodynamics）。
热力学第二定律
第一部分
高中物理选择性必修第三册
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：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。
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。
热力学第二定律
01.
思考与讨论
02.
高中物理选择性必修第三册
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？
电冰箱实例
03.
高中物理选择性必修第三册
在电冰箱的实例中，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 ：必须开动冰箱的压缩机。如果不供电，冰箱的压缩机会停止工作，自发的过程则是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品。
高中物理选择性必修第三册
热力学第二定律的开尔文表述 ：从能量的角度看，热机的工作分为两个阶段 ：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。
热力学第二定律
04.
开尔文
热机
05.
高中物理选择性必修第三册
阶段二：工作物质对外做功
工作物质的内能→机械能
阶段一：燃烧燃料
燃料的化学能→工作物质的内能
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？
思考与讨论
06.
高中物理选择性必修第三册
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。问题的实质仍然是 ：机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。
高中物理选择性必修第三册
热力学第二定律的本质
07.
揭示了大量分子参与宏观过程的方向性：
一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的。
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。
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
热传递的方向性
机械能与内能转化过程的方向性
等价
两定律的对比
08.
高中物理选择性必修第三册
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，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
第二类永动机
09.
高中物理选择性必修第三册
如果一台热机，效率 ，热机从单一热源吸取的热量Q1全部变为功W 而不产生其它影响，即Q2＝0。此时，热机的效率η＝1(100%)， 这类热机称为第二类永动机。
第二类永动机是不可能制成的
能源是有限的
第二部分
能源是有限的
01.
高中物理选择性必修第三册
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。能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
在取暖照明、耕田犁地、车钻磨锻、开车驾船……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。
高中物理选择性必修第三册
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。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”。
能源是有限的
02.
高中物理选择性必修第三册
周围环境中的内能很难再利用，而机械能、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。所谓能源，其实是指具有高品质的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等。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。
能源是有限的
03.
熵与熵增加原理
第三部分
现象
01.
高中物理选择性必修第三册
实验现象：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。
高中物理选择性必修第三册
微观解释：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。
这16种分布中的每一种是一种微观态。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。
解释
02.
高中物理选择性必修第三册
一般来说，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1/2N。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。
自然界的很多过程是不可逆的
03.
高中物理选择性必修第三册
熵
04.
相对于膨胀后的状态，物理学中把气体膨胀前的状态称作有序状态，而气体自由膨胀后的状态变得更混乱与无序，称作无序状态。
一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。
熵：1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用于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。
熵增加原理
05.
高中物理选择性必修第三册
热力学第二定律的微观解释：统计规律
熵增加原理：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。
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。
总结提升
第四部分
高中物理选择性必修第三册
课堂小结
热力学第二定律
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能源是有限的
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。
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
例题1
例题精选
01.
【参考答案】B
高中物理选择性必修第三册
如图所示是“风光互补LED太阳能路灯”，太阳能路灯同时利用光能和风能实现照明，它的上端是风力发电，中间是太阳能电池板，下部是照明灯，最下端是蓄电池。下列说法正确的是（　　）
A．夜晚蓄电池放电，将电能转化为化学能
B．风力发电，将机械能转化为电能
C．太阳能电池板将太阳能转化为光能
D．太阳能、风能属于不可再生能源
例题2
例题精选
02.
【参考答案】BD
高中物理选择性必修第三册
（多选）如图，用绝热材料制成的密闭容器被隔板K分成Ⅰ、Ⅱ两部分，一定量的某理想气体处于Ⅰ中，Ⅱ内为真空。抽取隔板K，气体进入Ⅱ中，最终整个容器均匀地分布了这种气体。则此过程，该气体系统（　　）
A．对外做功，体积膨胀
B．对外不做功，最终压强减小
C．内能减少，最终温度降低
D．无序度变大
解析
例题解析
03.
高中物理选择性必修第三册
【解析】绝热容器内的气体与外界没有热交换，则
气体向真空扩散，没有对外界做功，则
根据热力学第一定律可知气体的内能不变，温度不变，气体体积变大，气体无序度变大，根据理想气体状态方程可知压强减小。
故选BD。
例题3
例题精选
04.
【参考答案】C
高中物理选择性必修第三册
2024年4月30日，神舟十七号航天员汤洪波、唐胜杰、江新林圆满完成了出舱活动期间的全部既定任务。已知飞船在航天员出舱前要“减压”，在航天员从太空返回进入飞船时要“升压”，因此将此设施专门做成了飞船的一个舱，叫“气闸舱”。气闸舱的原理如图所示。座舱A与气闸舱B间装有阀门K，A中充满空气，B内为真空。航天员由太空返回到B时，将B封闭，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统保持温度不变，舱内气体可视为理想气体，不考虑航天员的影响，则此过程中（　　）
A．气体膨胀做功，内能减小
B．气体向外界放出热量
C．气体分子对A舱壁的压强减小
D．一段时间后，B内气体的密度可以自发地恢复到原来真空状态
解析
例题解析
05.
高中物理选择性必修第三册
【解析】AB．系统温度不变，则理想气体的温度不变，内能不变，气体自由扩散，没有对外做功，根据可知，整个系统与外界没有热交换，故A、B错误；
C．气体温度不变，则分子热运动的剧烈程度不变，体积增大，则分子的密集程度变小，故压强减小，C正确；
D．根据熵增加原理可知一切宏观热现象均具有方向性，故B中气体不可能自发地全部退回到A中，B内气体的密度也不可能自发地恢复到原来真空状态，故D错误。故选C 。
例题4
例题精选
06.
【参考答案】C
高中物理选择性必修第三册
生活中，在特定的时间，人们会燃放“礼花”，表达人们的祝福与喜悦。礼花喷射器原理如图所示，通过扣动气阀可释放气罐内压缩气体，对纸管里填充的礼花彩条产生冲击，喷向高处，在喷出礼花彩条的瞬间，下列说法正确的是（　　）
A．该过程将机械能转化为内能
B．气体分子冲向纸管后能全部自发回到罐内
C．气体通过做功方式改变了自身的内能
D．气体温度可能不变
解析
例题解析
07.
高中物理选择性必修第三册
【解析】A．该过程是将内能转化为机械能，故A错误；
B．根据热力学第二定律可知，分子冲向纸管后不可能全部自发回到罐内，故B错误；
C．在喷出礼花彩条的过程中，罐内的压缩气体对礼花彩条做功，气体的内能转化为礼花彩条的机械能，故C正确；
D．气体对外做功，无热传递，故内能减小，温度降低，故D错误。故选C。
THANKS
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