高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律评优课ppt课件

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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?
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。
气体的膨胀有特定的方向性：
只能自发地向低压空间膨胀。
只能自发地由密度大的区域向密度小的区域扩散。
凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。例如上面列举的这些例子，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，也不会自发地进行。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。
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
1850年，德国物理学家克劳修斯(R.Clausius，1822-1888)将热力学第二定律表述为：
1、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.（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是将热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化）
Q1：向高温热库放出的热量
Q2：从低温热库吸收的热量
热力学第二定律的克劳修斯表述
⑴这里阐述的是热传递的方向性。
⑵“自发”二字的意义：
当两个温度不同的物体接触时，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，热量就能从高温物体传向低温物体。
⑶克劳修斯表述也相当于：
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。
(3)如果设想克劳修斯表述不成立，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.
(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”。如：夏天空调压缩机工作时，可将室内低温空气的热量传到室外高温的空气中去。
(1)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.”
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
2、(多选)下列说法中正确的是(　　)A．满足能量守恒定律的客观过程并不是都可以自发地进行的B．一切宏观热力学过程都具有方向性C．制冷系统将冰箱内温度较低的食品的热量传给外界较高温度的空气，这违反了“热量只能从温度较高的物体传到温度较低的物体”的规律D．电冰箱从箱内温度较低的食品吸收的热量等于冰箱向外界空气释放的热量
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。
1851，英国物理学家开尔文将热力学第二定律表述为：
1、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，而不产生其他影响。（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不引起其他变化）
Q1：从高温热库吸收的热量
Q2：向低温热库散发的热量
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。
热力学第二定律的开尔文表述
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。
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。
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。
（1）开尔文表述揭示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。
（2）“不可能从单一热库吸收热量”指：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。
（3）“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。
（4）自然界的一切自发过程都不可逆。
功  热：可自动进行(如摩擦生热、焦耳实验)
热  功：不可自动进行(焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使重物升高)
⑴从能量转化的角度看，热机的工作分为两个阶段：
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
⑵从能流分配的角度看：
思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W？
燃料在燃烧（高温物体）
冷凝器或大气（低温物体）
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
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
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。
4、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。
6、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。
5、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。 
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。
1）适用于宏观过程对微观过程不适用，如布朗运动。
2）孤立系统有限范围,对整个宇宙不适用。
7、热力学第二定律的适用范围
8、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.
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。
热力学第二定律与第一定律的比较
1．(多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　)A．一定质量的理想气体在等温膨胀过程中吸收的热量等于对外做的功，并不违反热力学第二定律B．空调既能制热也能制冷，说明热量能够从低温物体传到高温物体C．热力学第二定律可表述为不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功D．理想热机的效率可以达到100%
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
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。这种现象叫做能量的耗散。
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
高品质：机械能、光能、化学能、电能
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。
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”。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
『判一判』(1)机械能可以完全转化为内能。(　　)(2)内能不可能完全转化为机械能。(　　)(3)能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。(　　)(4)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。(　　)
★★★准静态过程：是一种理想过程，当实际过程进行得无限缓慢时，各时刻系统的状态就无限地接近于平衡态，该过程便是准静态过程。
1、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
2、下列现象属于能量耗散的是(　　)A．利用水流能发电转化为电能B．电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能C．电池的化学能转化为电能D．火炉把房子烤暖
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%
2．(多选)随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，近期油价不断攀升，已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一，下列有关能量转化的说法中错误的是(　　)A．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他的变化B．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能C．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行D．外界对物体做功，物体的内能必然增加
3、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
4、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
5．下列过程中，可能发生的是(　　)A．某工作物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响B．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发回到容器中，恢复原状C．利用一些手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高D．将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开
6．以下说法不正确的是(　　)A．电冰箱内食品温度比室内温度低，说明一定条件下热传导也可以由低温物体向高温物体进行B．内能可以转化为机械能C．能量的耗散否定了能量的转化与守恒定律D．能量的耗散说明自然界的宏观过程有方向性
7、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7