人教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律4 热力学第二定律试讲课课件ppt

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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？
想一想：大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性?
问题：将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？
铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同．
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？
热量会自发地从高温物体传给低温物体,从而使低温物体升温，高温物体温度降低.
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？
电冰箱消耗电能，对制冷系统做功，致冷系统不断地把箱内热量传给外界的空气，从而保持冰箱内部的温度比外部的低.
电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？
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.
思考 会不会有这样的现象： 均匀混合的空气与溴气过一段时间会自发地变的界线分明 ？
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.
一、热力学第二定律的一种表述
R.Clausius(1822-1888)
(1)克劳修斯表述中强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体.”(2)如果允许“其它变化”，例如利用致冷机做功，热量可以从低温物体传到高温物体上，而致冷机做功就属于“其它变化”.
(3)如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源.按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，它无需消耗功就能致冷.克劳修斯表述否定了这种可能性.
1．下列说法中，正确的是(　　)A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性B．热量不可能由低温物体传给高温物体C．气体的扩散过程具有方向性D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性
热力学第二定律反映的所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性
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.例如冰箱
一辆汽车在水平地面上滑行，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.
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。
有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其它变化．
我们能不能看到这样的现象： 一辆汽车靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使汽车运动起来．
思考： 有没有这样的“逆过程”：从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中，瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的压强.
机械能和内能的转化过程具有方向性
二、热力学第二定律的另一种表述
热机效率η=W/Q1<100%
不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响.
热力学第二定律的开尔文表述：
(1821-1907)
不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化.
热力学第二定律的开尔文表述又可以表述为： 第二类永动机是不可能制成的.
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性.在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等.(2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等.
开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的,可用反证法证明,
违背开尔文表述一定违背克劳修斯表述
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
如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同另一个制冷机组成复合机，如图所示，其总效果相当于一个无功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立.
2．热力学第二定律两种表述的比较
违背克劳修斯表述一定违背开尔文表述
开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的,可用反证法证明.
如果克劳修斯表述不成立，则可制成一个无功致冷机，将它同另一个热机组成复合机，如图所示，就可使复合机成为一单热源热机，即开尔文表述也不成立.
3．热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.4．与热力学第一定律的关系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响.所以二者相互独立，又相互补充.
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?
机械能与内能转化的具有方向性
永 动 机 的 设 想 图
2．根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有 (　　)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热能，但热能不可能全部转化为机械能D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能
当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，如冰箱和空调
机械能可以全部转化为热能.外界条件发生变化时，热能也可以全部转化为机械能；如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功.
3.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
4.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
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
请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？
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。
能量守恒定律告诉我们： 在能量转化和转移过程中利用能量，并不会使能的总量减少，那么为什么还会出现“能源危机”呢？
(1)由热力学第二定律，能量的转移和转化具有方向性． (2)能量耗散：系统的内能流散到周围环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用的现象．2．品质降低: 能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低，也叫能量降退．
虽然能量不会减少，但能源越来越少.因此会出现“能源危机”.
3.“能源危机”的应对方法
5.全球受“新冠”疫情的影响，能源市场需求减少，国际原油价格一路走低.下列关于能量和能源说法正确的是A.由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源B.在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
解析　根据能量守恒定律可知，能量不会被创造，也不会凭空消失，B正确，D错误；由于能量传递具有方向性，能量耗散导致能量品质降低，所以必须节约能源，A、C错误.
自然界的很多过程是不可逆的 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。
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。
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。
1．某校中学生为参加电视台《异想天开》节目，提出了下列四个设想方案，从理论上讲可行的是（　　）A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发分离，既清洁了空气，又变废为宝D．将屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题
2.如图所示文艺复兴时期意大利的达·芬奇造了一个永动机装置。他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息 ( )A．这是第一类永动机B．这是第二类永动机C．它不可能成功，因为违反能的转化及守恒定律D．它不可能成功，因为违反热力学第二定律
3.下列说法正确的是 ( ) A．在自然条件下，热传递的过程是不可逆的 B．热量不可能由高温物体传递给低温物体C．气体的扩散过程具有方向性 D．一切形式能量转化都不具有方向性
4.下列说法中可行的是 ( ) ① 将地球上所有海水的温度降低0.1℃，以放出大量内能供人类使用② 制造一种机器，把物体与地面摩擦所产生的热量全部收集起来再全部加以使用③ 建造一只可以从海洋中提取热量的船，把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转④ 制造一种效率为100％的热机A．①可行 B．①④可行 C．②④可行 D．①②③④都不可行
5.根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是（ ） A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化B．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，而不引起其它的变化的热机是可实现的 C．致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中而不引起其它变化D．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
6.关于第二类永动机，下列说法中正确的是 ( ) A．它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律B．它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律C．它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律D．它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律
7.根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（ 　）A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其它变化B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，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．分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大
8．CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是（　　）A．禁止使用煤、石油和天然气B．开发使用核能、太阳能C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气D．植树造林
(一)热力学第二定律的两种表述之间的关系
1、热量不能自发地从低温物体传到高温物体.
1、按热传递的方向性来表述
2、是按机械能与内能转化过程的方向来表述.
2、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.
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。
(三)热力学第二定律得其他描述：
（1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
（2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
1）适用于宏观过程对微观过程不适用，
2）孤立系统有限范围,
(四)热力学第二定律的适用范围
(五)与热力学第一定律的关系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响.所以二者相互独立，又相互补充.
(二)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：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
(六)热力学第二定律与第一定律的比较
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。
1.下列关于能量转化的说法中，正确的是 （ ）A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能D.机械能可以转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
2.关于第二类永动机，下列说法正确的是 （ ）A.它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律B.它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律C.它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律D.它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律
3.下列关于热机的说法中，正确的是（ ）A.热机是把内能转化成机械能的装置B热机是把机械能转化为内能的装置.C.只要对内燃机不断进行革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能D.即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能
4.下列说法中正确的是（ ）A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B.一切不违背能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行D.一切物理过程都不可能自发地进行
5.第二类永动机不可能制造出来的原因是因其工作原理违背（ ）A.热力学第一定律B.能的转化与守恒定律C.热力学第二定律D.上述三个定律
6.(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是（ ）A.能量耗散使能量的总量减少B.能量耗散遵守能量守恒定律C.能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用D.能量耗散导致能量品质的降低