【高中物理】热力学第二定律 课件 2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册.pptx

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1、热热力学第二定律力学第二定律热力学第二定律1.知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。了解什么是热力学第二定律。2.理解热力学第二定律的两种表述,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、转移及宏观自然过程的方向性问题。4.了解什么是能量耗散和品质降低。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扩散

2、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?问题导入问题导入新知导入铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同。问题：将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？新知导入思考：将烧红的铁块投入水中，结果会不会铁块温度更高，水的温度更低？无数事实告诉我们，凡是实际的过程，一切与热现象有关的宏观无数事实告诉我们，凡是实际的过程，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。自然过程都是不可逆的。物体间的传热物体间的传热扩散现象扩散现象有摩擦的机械运动有摩擦的机械运动热现象热现象特定的方向特定的方向温度由高到低温度由高到低有序到无序有序到无序由机械能到内能由机械能到内能反映宏观自然过程

3、的反映宏观自然过程的方向性方向性的定律就是热力学第二定律。的定律就是热力学第二定律。克劳修斯1.德国物理科学家克劳修斯在德国物理科学家克劳修斯在1850年提出：年提出：热量不能自发从低温物体传到高温物体。热量不能自发从低温物体传到高温物体。物体间传热过程的方向性物体间传热过程的方向性高温高温低温低温自发自发自发性：自发性：不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。外界做功外界做功外界环境发生变化外界环境发生变化 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

4、这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现到设定的温度。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象是否违背热力学第二定律呢?低温低温冰箱内的食品冰箱内的食品高温高温冰箱外的空气冰箱外的空气自发自发外界做功外界做功向压缩机供电向压缩机供电停止供电停止供电柴油机柴油机汽缸汽缸燃料的化学能燃料的化学能工作物质的内能工作物质的内能机械能机械能对外做功对外做功燃烧燃烧燃料产生燃料产生的热量的热量Q输出机械功输出机械功W漏气热损漏气热损散热热损散热热损摩擦热损摩擦热损W Q思考：假设能避免这些损失，热机思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量燃料产生的热量Q=W？能量转

5、化是否也具有方向性？高温热库高温热库低温热库低温热库QW燃料在燃烧燃料在燃烧(高温物体高温物体)冷凝器或大气冷凝器或大气(低温物体低温物体)自发自发 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，即于它从高温热库吸收的热量，即W Q2.热力学第二定律的开尔文表述：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，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。而不产生其他影响。热机的效率无法达到热机的效率无法达到100%，总会有损耗。，总会有损耗。机械能机械能内能（热

6、）内能（热）全部转化（自发）全部转化（自发）对第三者有影响对第三者有影响机械能与内能转化的方向性：机械能与内能转化的方向性：气缸内盛有一定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁接触光滑，不漏气。缸内气体做等温膨胀。此系统是否违背热力学第二定律？第一表述：按热传递的方向性来表述第二表述：是按机械能与内能转化过程的方向来表述。它们的实质是相同的，都涉及的是一切一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，具有一定的逆的，具有一定的方向性方向性。FF自由膨胀不可逆为什么自由膨胀不可逆呢？热力学第二定律-微观解释 假设开始时，只有4个分子在A部，抽

7、出隔板后分子将向B部扩散。4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：宏观分布详细分布14641(微观态)(宏观态)l微观态共有24=16种可能的方式，而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16。l一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为1/21023。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件 l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。l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

8、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。有序无序有序有序：只要确定了某种：只要确定了某种规则规则，符合，符合这这个个规则规则的就叫做有序。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 1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可以表达一个系统的无序程度，系统有序向无序发展的过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫做孤立系统。在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个系统的熵值总是不减小的，这就是熵增加原理。从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的发展，而熵值较大代表着较为无序，所以

9、自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。热力学第一定律和热力学第二定律的比较1.两定律的比较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二、能源是有限的二、能源是有限的 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

10、切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。转化，能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。柴薪时期柴薪时期煤炭时期煤炭时期石油时期石油时期 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。这种现象叫做能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散能量的耗散。化学能化学能电能电能电能电能内能和光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。能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。耗散在环境中耗散在环境中高品质：机械能、光能、化学能、电能高品质：机械能、光能、化学能、电能低品质：内能低

11、品质：内能转化方向不可逆能源：能源：其实是指具有高品质的容易利用其实是指具有高品质的容易利用的储能物质的储能物质例如石油、天然气、煤等。例如石油、天然气、煤等。所以要节约资源所以要节约资源【课堂练习【课堂练习】【例题1】(多选)根据热力学第二定律判断,下列说法正确的是()A.电流的功不可能全部变为内能B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部变为电能C.热机中,燃气内能不可能全部变为机械能D.在热传导中,热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体解析：根据热力学第二定律可知,凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性。电流的功可全部变为内能(由焦耳定律可知),但内能不可能全部变成电能,而不产生其他影响。

12、机械能可全部变为内能,而内能不可能全部变成机械能。在热传导中,热量只能自发地从高温物体传到低温物体,而不能自发地从低温物体传到高温物体。BCD 科学思维 热量可以从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传到高温物体,只不过前者能自发进行,后者必须借助外界的帮助;机械能可以全部转化为内能,而内能要全部转化为机械能,肯定会引起其他变化。【变式训练1】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100%,但可能等于100%D.热机的效率必定小于100%解析：开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功,但必然要发生

13、其他变化,比如气体等温膨胀,气体内能完全转化为功,但气体体积增大了,A错。开尔文表述指出,热机不可能只有单一热库,但未必就是两个热库,也可以具有两个以上热库,B错。由热力学第二定律可知,热机的效率一定小于100%,C错,D对。D【课堂练习【课堂练习】【例题2】(多选)下列对能量耗散的理解正确的有()A.能量耗散说明能量在不断减少B.能量耗散遵守能量守恒定律C.能量耗散说明能量不能凭空产生,但可以凭空消失D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性解析：在发生能量转化的宏观过程中,其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能,无法再回收利用,这种现象叫能量耗散。能量耗散并不违反能量守

14、恒定律,能量既没有减少,也没有消失,它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性,故A、C错误,B、D正确。BD【变式训练2】能源利用的过程实质上是()A.能量的消失过程B.能量的创造过程C.能量的转化和转移过程D.能量的转化传递并且逐渐消失的过程解析：能源利用的过程是做功或热传递的过程,即能量的转化和转移过程,故C正确。C 知识提升1、根据热力学第二定律，下列判断正确的是（）A.电流的能不可能全部变为内能B在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C热机中，燃气内能不可能全部变为机械能D在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温度物体解析：根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏

15、观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项B、C、D正确BCD2、下列说法正确的是()A机械能全部变成内能是不可能的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凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式C根据热力学第二定律可知，热量不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成功是可能的机械能可通过克服摩擦全部转化为内能，第二

16、类永动机没有违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，在产生其他影响的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，在产生其他影响的情况下，可以从单一热源吸收热量全部变成功D3、根据热力学第二定律，下列判断正确的()A热机中燃气的内能不可能全部变成机械能B电流的能不可能全部变成内能C在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能D在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体热源冷凝器热机机械能由电流热效应的焦耳定律可知，电能可全部转化为内能，热量从低温物体传给高温物体，必须有外界做功，结果会带来其他影响。ACD一、热力学第二定律一、热力学第二定律1.反映宏观自然过程的反映宏观自然过程的方向性方向性方向性方向性的定律就是热力学第二定律。的定律就是热力学第二定律。2.克劳修斯表述：克劳修斯表述：热量不能热量不能自发自发自发自发从低温物体传到高温物体。从低温物体传到高温物体。物体间传热过程的方向性物体间传热过程的方向性自发性自发性3.开尔文表述：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。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。热机的效率无法达到热机的效率无法达到100%，总会有损耗。，总会有损耗。机械能与内能转化的方向性机械能与内能转化的方向性二、能源是有限的二、能源是有限的课堂小结课堂小结4.微观表达微观表达 熵增加原理熵增加原理