热力学第二定律_ppt课件.pptx

精品课件高中物理选择性必修3第三章热力学定律新人教版 热力学第二定律热力学第二定律特级教师优秀课件精选教学目教学目标标尝试运用热力学第二定律解决一些实际问题，培养将物理知识应用于现实生活的能力。能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。通过自然界中热传导的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因。教学重点教学重点热力学第二定律内容的理解及所反映出的热现象的宏观过程的方向性。热力学第二定律的实质，定律的两种不同表述。第二类永动机，以及它不能制成的原因。热力学第二定律的物理实质。教学教学难难点点前情回前情回顾顾能量守恒定律的内容是什么？能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变，这就是能量守恒定律。覆水难收君不见黄河之水天上来奔流到海不复回大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性？在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的。满足能量守恒的过程是否都能实现呢？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。可能发生这样的逆过程吗？扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。可能发生这样的逆过程吗？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。可能发生这样的逆过程吗？气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。可能发生这样的逆过程吗？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。一切与一切与热现热现象有关的宏象有关的宏观观自然自然过过程都是不可逆的程都是不可逆的理解宏观过程都是有方向性的。理解并掌握热力学第二定律。热热力学第二定律的克力学第二定律的克劳劳修斯表述修斯表述克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借助外力，可以自动进行，这种变化称为自发变化。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。热热力学第二定律力学第二定律电冰箱工作时，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？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。电源热量热量电冰箱制冷系统大气贮藏的食品做功热力学第二定律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。热热量不可能从低温物体量不可能从低温物体传传到高温物体而不到高温物体而不产产生其他影响。生其他影响。热力学第二定律热传导的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？不能。“自发地”是指没有第三者的影响，例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体，但是也产生了影响，即外界做了功。热力学第二定律一个在水平地面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高。我们能不能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来。理解并掌握热力学第二定律的开尔文表述。理解开尔文表述和克劳修斯表述是等价的。热热力学第二定律的开力学第二定律的开尔尔文表述文表述热机：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）机械能与内能机械能与内能转转化的方向性化的方向性柴油机四冲程吸气冲程 压缩冲程做功冲程 排气冲程机械能与内能转化的方向性热机工作原理和过程：一一阶阶段：段：二二阶阶段：段：推动活塞对外做功W（工作物质内能变成机械能）。机械能与内能转化的方向性燃料产生的热量Q输出机械功W漏气热损散热热损摩擦热损热热机能流机能流图图热机工作时的能流分配热机的效率小于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。热转换为热转换为功的功的过过程也是不可逆的，具有方向性。程也是不可逆的，具有方向性。对外做功机械能与内能转化的方向性热机高温热库W低温热库开开尔尔文表述：文表述：不可能从不可能从单单一一热热源吸取源吸取热热量，使之完全量，使之完全变变成功，而不成功，而不产产生生其他影响。其他影响。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。热热力学第二定律的另一种表述力学第二定律的另一种表述例如，利用热机循环，吸热可对外作出功来。但实际热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。开尔文表述：不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。如何理解单一热库？单单一一热库热库指温度均匀并且恒定不指温度均匀并且恒定不变变的系的系统统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。热力学第二定律的另一种表述开尔文表述：不可从能单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。如何理解其他影响？指除了从指除了从单单一一热库热库吸收的吸收的热热量，以及所做的功以外的其他一切影响量，以及所做的功以外的其他一切影响或除了从低温物体吸收或除了从低温物体吸收热热量、高温物体得到相同的量、高温物体得到相同的热热量外，其他一切影响和量外，其他一切影响和变变化。化。不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动热传递是不可能的。热力学第二定律的另一种表述开尔文表述：不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。适用条件：适用条件：只能适用于由很大数目分子构成的系只能适用于由很大数目分子构成的系统统及有限范及有限范围围内的宏内的宏观过观过程，而不适用于少量的微程，而不适用于少量的微观观体系，也不能把它体系，也不能把它扩扩展到无限的宇宙。展到无限的宇宙。热力学第二定律的另一种表述开尔文表述：不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。如何理解“不可能”？实际实际上上热热机或制冷机系机或制冷机系统统循循环终环终了了时时，除了从，除了从单单一一热库热库吸收吸收热热量量对对外做功，外做功，以及以及热热量从低温量从低温热库传热库传到高温到高温热库热库以外，以外，过过程所程所产产生的其他一切影响，不生的其他一切影响，不论论用任何曲折复用任何曲折复杂杂的的办办法都不可能加以消除。法都不可能加以消除。热力学第二定律的另一种表述热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自发地从低温物体传到高温物体）。开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。热热力学第二定律的反思力学第二定律的反思热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？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。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。热力学第二定律的反思热力学第二定律的意义？提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与一切与热现热现象有关的象有关的实际实际宏宏观过观过程都是不可逆的。程都是不可逆的。热力学第二定律的意义根据热力学第二定律，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，也可能从低温物体传到高温物体。C.机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能。D.机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能。热力学第二定律的应用BD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它变化叫做第二类永动机。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。第二第二类类永永动动机机为什么第二类永动机不能制成？机械能可以全部转化为内能，但内能不能在不引起其他变化的前提下全部转化成机械能。机械能和内能的转化过程具有方向性。第二第二类类永永动动机不可能制成！机不可能制成！第二类永动机对比第一类永动机和第二类永动机，你能得到什么启示？它们都不可能制成。第一类永动机的设想违反了能量守恒定律；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）。看一种看一种热热机机设计设计方案是否可行，不方案是否可行，不仅仅要看是否遵守能量守恒定律，要看是否遵守能量守恒定律，还还要看是要看是否否满满足足热热力学第二定律。力学第二定律。第二类永动机归纳总结本节课学习的热学过程具有方向性的实例？热传导的方向性扩散现象有方向性能量转化有方向性第二类永动机关于第二类永动机，下列说法正确的是（）A.没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机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第二类永动机AD汽车行驶时，要消耗汽油。尽量详尽地说明：汽油燃烧时释放的化学能通过哪些途径最终转化成了周围环境的内能。汽油燃烧时释放的化学能推动活塞做功的过程中，主要通过三个途径将化学能转化为内能：一是活塞与缸体间有摩擦，克服摩擦力做功，产生热量，缸体温度升高，内能增加，向周围空间散热。二是活塞压缩缸内气体做功，缸内气体温度升高，带动缸体温度升高，由于与周围环境的热交换转化为环境的内能。三是排气冲程中喷出的热气，会带走一部分热量。问题问题与与练习练习以下哪些现象能够发生、哪些不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热。B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能。C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离。D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体。A.不可能。因为是“自动”过程，所以茶变热时的内能增量只能来源于周围环境，即周围环境中的热量会自动地收集到茶中。所以，这是不可能发生的现象。B.不可能。蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功，即热蒸汽推动活塞做功。这一过程中，一方面由于活塞摩擦气缸而产生热能，另一方面热蒸汽与周围环境的温度差，蒸汽机会向周围环境散热。所以，蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能是不可能的。C.可能。浑水变清，泥沙下沉，重心下降，总的重力势能减少，最终转化为内能。而机械能百分百转化成内能是可能的。D.可能。冰箱通电后，消耗电能，将箱内低温物体的热量传到箱外。问题与练习问题与练习小李想估测燃气灶烧水时的效率。他在开水壶里装了体积为2.5L的水，测得烧水前的水温是15C，水烧开后便停止加热。烧水前后燃气表的示数如图所示。为了得出燃气灶烧水的效率，他还要知道什么数据？请用字母表示相关数据，指出所用的单位，列出计算效率的表达式。克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。开尔文表述：不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。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。热力学第二定律的其他表述第二类永动机不可能制成气体向真空的自由膨胀时不可逆的总结总结例例题题例例题题例例题题例例题题教学目教学目标标了解有序和无序是相对的知道宏观态与微观态，知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的对应关系知道熵的概念，初步了解熵是描述系统无序程度的物理量。了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述能用熵增加原理解释生活中的一些现象教学重点教学重点教学教学难难点点了解热力学第二定律的微观意义.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量对熵和熵增加原理的解释前情回前情回顾顾热力学第二定律揭示了什么规律？热力学第二定律揭示了一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统计规律本节从微观角度说明为什么涉及热运动的宏观过程会有一定的方向性按花色及大小排列我们说它是有序有序的有序和无序有序和无序洗牌后变为无序无序有序和无序有序和无序规定：奇数牌在先，偶数牌在后无序无序有序和无序有序和无序有序有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。无序无序：不符合某种确定规则的称为无序。有序和无序有序和无序无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。有序和无序是相对的宏宏观态观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。宏宏观态观态和微和微观态观态微微观态观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。系系统统的宏的宏观态观态所所对应对应的微的微观态观态的多少表的多少表现为现为宏宏观态观态无序程度的大小无序程度的大小如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的；同时也决定了宏观过程的方向性从有序到无序。下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认识第二定律的本第二定律的本质质不可逆性的微不可逆性的微观观意意义义不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色分子气体向真空气体向真空扩扩散散开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如图所示：微观数14416气体向真空气体向真空扩扩散散此数此数值值极小，意味着此事件永极小，意味着此事件永远远不会不会发发生。生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。气体向真空气体向真空扩扩散散对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部的过程原则上是可逆的。对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。气体向真空气体向真空扩扩散散左边一列的各种分布仅指出A、B两边各有几个分子，代表的是系系统统可能的宏可能的宏观态观态。中间各列是详细的分布，具体指明了这个或那个分子各处于A或B哪一边，代表的是系系统统的任意一个微的任意一个微观态观态。4个分子在容器中的分布对应5种宏观态一种宏一种宏观态对应观态对应若干种微若干种微观态观态不同的宏观态对应的微观态数不同均匀分布均匀分布对应对应的微的微观态观态数最多数最多。全部退回A边仅对应一种微观态。在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的？气体向真空气体向真空扩扩散散热热力学第二定律的力学第二定律的统计统计意意义义统计统计物理基本假定物理基本假定等几率原理等几率原理：对对于孤立系，各种微于孤立系，各种微观态观态出出现现的可能性（或几率）是相等的。的可能性（或几率）是相等的。各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。热热力学第二定律的力学第二定律的统计统计意意义义在气体向真空扩散的例子中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。所以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。热热力学第二定律的力学第二定律的统计统计意意义义热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。自然自然过过程程总总是向着使系是向着使系统热统热力学几率增大的方向力学几率增大的方向进进行。行。一切自然一切自然过过程程总总是沿着无序性增大的方向是沿着无序性增大的方向进进行。行。注意：微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。热热力学第二定律的力学第二定律的统计统计意意义义热力学第二定律的适用范围适用于宏观过程，对微观过程不适用如布朗运动孤立系统，有限范围对整个宇宙不适用热热力学第二定律的微力学第二定律的微观观意意义义对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。在在热热力学中，序：区分度。力学中，序：区分度。热热力学第二定律的微力学第二定律的微观观意意义义：一切自然一切自然过过程程总总是沿着无序性增大的方向是沿着无序性增大的方向进进行行“熵熵”是什么？是什么？熵熵与与熵熵增加原理增加原理“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用用熵熵来表示任何来表示任何一种能量在空一种能量在空间间分布的均匀程度分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。简单简单的的说说，“熵熵”就是微就是微观观粒子的无序程度、能量差粒子的无序程度、能量差别别的消除程度。的消除程度。在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的熵熵与与熵熵增加原理增加原理比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。对对于一个封于一个封闭闭的系的系统统，能量差也，能量差也总总是是倾倾向于消除的。向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵熵将随将随着着时间时间而增大而增大”。熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵熵是分子是分子热热运运动动无序无序(混乱混乱)程度的程度的定量量度定量量度。熵熵与与熵熵增加原理增加原理一个系一个系统统的的熵熵是随着系是随着系统统状状态态的的变变化而化而变变化的。在自然化的。在自然过过程中，系程中，系统统的的熵熵是增加的。是增加的。熵熵与与熵熵增加原理增加原理在在绝热过绝热过程或孤立系程或孤立系统统中，中，熵熵是增加的，叫做是增加的，叫做熵熵增加原理增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立一个孤立系系统总统总是从是从熵熵小的状小的状态态向向熵熵大的状大的状态发态发展，而展，而熵值较熵值较大代表着大代表着较为较为无序，所以自无序，所以自发发的宏的宏观过观过程程总总是向无序程度更大的方向是向无序程度更大的方向发发展展。一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？熵熵与与熵熵增加原理的理解增加原理的理解因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。一个密闭的容器内有稀薄气体，在容器上开一小口，外部的空气就会流入容器，在气体流入过程中，容器内靠近开口处的空气密度暂时变得比内部大，以下说法正确的是（）熵熵与与熵熵增加原理的理解增加原理的理解A.此时容器内气体处于一个不平衡状态，是一个最无序的状态B.外界的影响破坏了容器内气体的平衡C.上面事实说明热力学第二定律只适用于封闭系统D.对一个开放系统并不一定是最无序的分布BCD一个封闭的方盒内有两个隔板，把方盒隔成了三个小房间，每个小房间内有2个球，球上各有一个字，小房间内球上的字恰好组成如图所示的三个词（从左向右念）。振动方盒，球在小房间内的左右位置可以变换。问题问题与与练习练习（1）图中6个球同时排列成这三个词的概率是多少？（2）取去其中一个隔板，振动方盒，6个球能同时排列成这三个词的概率又是多少？（3）把链各个隔板全部取去，摇动方盒，6个球能同时排列成这三个词的概率又是多少？（4）在这个封闭的方盒内，取消隔板让小球充分地运动，其无序性是增大了还是减小了？（4）无序性增大成语“覆水难收”指的是一盆水泼出后是不可能再回到盆中的。请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度，解释为什么水不会自发地聚到盆中。问题问题与与练习练习“覆水难收”是中国古代的一句成语，字面意思是泼出去的水无法收回，表示事已定居，不可挽回。盛在盆中的水，水分子分布情况受盆的容积、形状的限制，对应的微观态较少；而泼出去的水，水分子的分布受制约较少，对应额微观态较多。根据熵增加原理，自发过程进行的方向总是朝着熵增加，即无序性增大的方向进行，因此泼出去的水（无序性大）不可能自发地回到盆中（无序性小）。无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。总结总结有序和无序是相对的。热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。注意：微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。【分析】【解答】【点评】练习练习【分析】【解答】【点评】练习练习【分析】【解答】【点评】练习练习