3.4熱力學(xué)第二定律課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性

一滴紅色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變紅。從系統(tǒng)的角度來看，擴散之前是一種狀態(tài)，擴散后是另一種狀態(tài)。那么，水中擴散后的顏料能否自發(fā)地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？想一想：大家是否發(fā)現(xiàn)一些事件的發(fā)展過程具有方向性、不可逆性覆水難收水往低處流

能量守恒定律告訴我們，在自然界發(fā)生的一切過程中能量都是守恒的，一個導(dǎo)致能量創(chuàng)生或能量消失的過程是不可能出現(xiàn)的。符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發(fā)地進行嗎？物體間的熱傳遞有特定的方向性：

只能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，或從物體的高溫部分傳遞到物體的低溫部分。氣體的膨脹有特定的方向性：只能自發(fā)地向低壓空間膨脹。擴散有特定的方向性：只能自發(fā)地由密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域擴散。物理選擇性必修3第三章

熱力學(xué)定律

第四節(jié)熱力學(xué)第二定律學(xué)習(xí)目標（看完舉手示意）1．了解和歸納熱力學(xué)第二定律的過程和方法。2．能用熱力學(xué)第二定律解釋常見的不可逆過程，即自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移以及方向性問題。3.了解能量與能源的區(qū)別以及能量的有限性。學(xué)生自學(xué)閱讀課本P59-62內(nèi)容找到書中的知識點、重點、疑難點。完成舉手示意閱讀過程中標注出書中的關(guān)鍵字、詞、句、段。一讀、二劃、三找、四梳理、五結(jié)論自學(xué)指導(dǎo)1（限時2分鐘）1.閱讀課本59-61頁熱力學(xué)第二定律定律部分①熱力學(xué)第二定律定律的物理意義②熱力學(xué)第二定律定律的克勞修斯表述是什么？③解決思考與討論中的問題④熱力學(xué)第二定律定律的開爾文表述是什么？⑤熱機的工作原理是什么？⑥兩種表述的聯(lián)系？①熱力學(xué)第二定律定律的物理意義精講點撥一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。在物理學(xué)中，反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。②熱力學(xué)第二定律定律的克勞修斯表述是什么？精講點撥熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。物體間傳熱過程的方向性兩個溫度不同的物體接觸時，熱量會自發(fā)從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體。但反過來，你讓熱量自發(fā)，從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，那是不可能的，這就是方向性。自發(fā)性：不需要第三者介入、也不會對任何第三者產(chǎn)生影響。當兩個溫度不同的物體接觸時，熱量就能自發(fā)從一個物體傳向另一個物體。這個過程中，不需要外界的幫助，也不改變外界環(huán)境。但如果有外界做功的幫助，或者外界環(huán)境發(fā)生變化，那這樣的轉(zhuǎn)移是可以反過來的。比如水往低處流，但也是可以有條件的向高處流的。1850年，德國物理學(xué)家克勞修斯(R.Clausius，1822-1888)將熱力學(xué)第二定律表述為：高溫熱庫T1低溫熱庫T2Q1Q2做功制冷機W1、熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.（即：不可能制造這樣一臺機器，在一個循環(huán)動作后，只是將熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化）Q1：向高溫熱庫放出的熱量W：外界所做的功Q2：從低溫熱庫吸收的熱量2、制冷機工作原理Q1=Q2+W熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述克勞修斯表述的說明：熱力學(xué)第二定律是用否定語句表述的（絕大多數(shù)物理定律都是用肯定語句表述的），它告訴我們什么樣的過程不可能發(fā)生。⑴這里闡述的是熱傳遞的方向性。⑵“自發(fā)”二字的意義：

當兩個物體接觸時，不需要任何第三者的介入、不會對任何第三者產(chǎn)生任何影響，熱量就能從一個物體傳向另一個物體。⑶克勞修斯表述也相當于：如果一臺制冷機，制冷系數(shù)為：，W為外界對機器做的功，Q2為從低溫物體吸收的熱量。

不可能造成這樣一臺制冷機器，W→0，ε→∝，該機器在一個循環(huán)動作完成后，外界沒有變化，唯一的結(jié)果是把Q2從低溫物體傳送到高溫物體。當兩個溫度不同的物體接觸時，這個“自發(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體的。(3)如果設(shè)想克勞修斯表述不成立，即在無任何外界做功的情況下，熱量就能從低溫熱源傳向高溫熱源.按此設(shè)想就可制成一種無功致冷機，如圖所示，它無需消耗功就能致冷?？藙谛匏贡硎龇穸诉@種可能性.3、理解：(2)要實現(xiàn)相反方向的過程，必須借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其它影響或引起其它變化。如果允許“其它變化”，例如利用致冷機做功，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，而致冷機做功就屬于“其它變化”。如：夏天空調(diào)壓縮機工作時，可將室內(nèi)低溫空氣的熱量傳到室外高溫的空氣中去。(1)克勞修斯表述闡述的是傳熱的方向性——兩個溫度不同的物體相互接觸時,熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。強調(diào)了“在不引起其它的變化的條件下，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.”③解決思考與討論中的問題精講點撥低溫物體（冰箱內(nèi)的食品），熱量傳到了高溫物體（冰箱外的空氣）。但是這個過程并不是自發(fā)進行的，而是依賴外界做功，消耗了電能。如果不供電，冰箱的壓縮機會停止工作，自發(fā)的過程則是熱量從冰箱外的高溫空氣傳向冰箱內(nèi)的低溫食品。這個過程才是自發(fā)進行的。電冰箱通電后箱內(nèi)溫度低于箱外溫度，并且還會繼續(xù)降溫，直至達到設(shè)定的溫度。顯然這是熱量從低溫物體傳遞到了高溫物體。這一現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律呢？

電冰箱工作時熱量的確從低溫物體——冰箱內(nèi)的食品，傳到了高溫物體——冰箱外的空氣。但是這不是自發(fā)的過程，這個過程必須有第三者的介入，即壓縮機消耗電能，對制冷系統(tǒng)做了功

一旦切斷電源，冰箱的壓縮機就停止工作，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了。自發(fā)的過程是熱量從冰箱外的高溫空氣傳向冰箱內(nèi)的低溫食品，使其溫度逐漸升高。

思考與討論低溫冰箱內(nèi)的食品高溫冰箱外的空氣自發(fā)外界做功向壓縮機供電停止供電④熱力學(xué)第二定律定律的開爾文表述是什么？精講點撥熱力學(xué)第二定律開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。熱機的效率無法達到100%也就是無論任何裝置，只要是吸收內(nèi)能，然后轉(zhuǎn)化為機械能，或者其他可以做功的能量，都一定需要兩個熱庫，而且效率無法達到100%。機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機械能（要是全部用來做功，會有影響）。例如，兩個相互接觸并做相對運動的物體，由于摩擦而靜止下來，它們在這個過程中消耗的機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；但相反的過程不可能自發(fā)進行而不產(chǎn)生其他影響。1851，英國物理學(xué)家開爾文將熱力學(xué)第二定律表述為：1、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。（即：不可能制造這樣一臺機器，在一個循環(huán)動作后，只是從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?，而不引起其他變化?、熱機工作原理高溫熱庫T1低溫熱庫T2Q1Q2對外做功熱機WQ1：從高溫熱庫吸收的熱量W：對外界所做的功Q2：向低溫熱庫散發(fā)的熱量Q1=Q2+W熱機的效率小于100%，就不可能把從高溫熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為機械能，總有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。熱力學(xué)第二定律的開爾文表述⑴這里闡述的是機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。⑵“不可能從單一熱庫吸收熱量”的意義：不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機械能。

如果一臺熱機，效率為：，熱機從熱源吸取的熱量Q1全部變成功W，即Q2＝0，該機器唯一的結(jié)果就是從單一熱源吸取熱量全部變成功而不產(chǎn)生其它影響。此時熱機的效率η＝1(100%)，

η＝1的熱機稱為第二類永動機。⑶克勞修斯表述也可以改為：第二類永動機是不可能制造成功的。開爾文表述的說明：（1）開爾文表述揭示機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化方向性——機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機械能。3、理解：（2）“不可能從單一熱庫吸收熱量”指：不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。單獨提供熱不足以給出推動力，還必須要冷。沒有冷，熱將是無用的。（3）“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響.如吸熱、放熱、做功等。（4）自然界的一切自發(fā)過程都不可逆。

在整個自然界中，無論是他有生命的還是無生命的，所有的宏觀自發(fā)過程都具有單向性，都有一定的方向性，都是一種不可逆過程。如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蝕，人的一生從嬰兒到老年到死亡等。⑤熱機的工作原理是什么？精講點撥燃料的化學(xué)能→工作物質(zhì)的內(nèi)能→機械能。但是燃料燃燒產(chǎn)生的熱量可能會因為漏氣而損失一些，還有機體溫度升高，會因為散熱損失一些。此外，轉(zhuǎn)化為機械能時，克服機械摩擦還會造成損失。所以最后輸出的機械功W肯定小于燃料產(chǎn)生的熱量Q。W<Q熱機的工作過程⑴從能量轉(zhuǎn)化的角度看，熱機的工作分為兩個階段：①燃燒燃料工作物質(zhì)把自己的內(nèi)能變成機械能燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能②對外做功⑵從能流分配的角度看：W<Q柴油機汽缸燃料的化學(xué)能工作物質(zhì)的內(nèi)能機械能對外做功燃燒燃料產(chǎn)生的熱量Q輸出機械功W漏氣熱損散熱熱損摩擦熱損W<Q思考：假設(shè)能避免這些損失，熱機燃料產(chǎn)生的熱量Q=W？高溫熱庫低溫熱庫QW燃料在燃燒（高溫物體）冷凝器或大氣（低溫物體）自發(fā)

熱機在工作過程中必然排出部分熱量，熱機用于做功的熱量一定小于它從高溫熱庫吸收的熱量，即W<Q思考與討論在水平地面上滾動的足球，摩擦力做負功，其動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終停了下來，同時產(chǎn)生的熱量散失在周圍的環(huán)境中。會不會有這樣的現(xiàn)象∶靜止在水平地面上的足球和地面、周圍的空氣自發(fā)地降低溫度釋放內(nèi)能，并將釋放出的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為足球的動能，讓足球又滾動起來機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的具有方向性⑥兩種表述的聯(lián)系？精講點撥可以證明，熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的。可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述，兩種表述都稱為熱力學(xué)第二定律。這兩種描述分別是前面說的物體間的傳熱，以及有摩擦的機械運動，它們都有方向，同樣的物體的擴散，氣體的膨脹的不可逆都可以說是熱力學(xué)第二定律的表述?？傊?，不管如何表述，熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)在于揭示了：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的。4、熱力學(xué)第二定律的兩種表述之間的關(guān)系1、熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.熱力學(xué)第二定律1、按熱傳遞的方向性來表述2、是按機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向來表述.兩種表述的實質(zhì)2、不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響.①兩種表述是等價的可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述，兩種表述都稱為熱力學(xué)第二定律。

②對任何一類宏觀過程進行方向的說明，都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述。例如：氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。6、熱力學(xué)第二定律得其他描述：（1）一切宏觀自然過程的進行都具有方向性。（2）氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。1）適用于宏觀過程對微觀過程不適用，如布朗運動。2）孤立系統(tǒng)有限范圍,對整個宇宙不適用。7、熱力學(xué)第二定律的適用范圍8、與熱力學(xué)第一定律的關(guān)系熱力學(xué)第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程中能量守恒的特殊表達形式，說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系，而第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實現(xiàn)的條件和過程進行的方向，指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響.所以二者相互獨立，又相互拓展資料.5、熱力學(xué)第二定律的意義提示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，是獨立于熱力學(xué)第一定律的一個重要自然規(guī)律。

不管如何表述，熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)在于揭示了：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的。熱力學(xué)第二定律與第一定律的比較

熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律區(qū)別聯(lián)系能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機。是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程、化學(xué)過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)，從而否定了第二類永動機。兩定律都是熱力學(xué)基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律，二者相互獨立，又相互拓展資料，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。熱力學(xué)第二定律的開爾文表述和克勞修斯表述是等價的Q1──熱機從T1吸熱A──熱機輸出功Q2──熱機從T2吸熱Q1+Q2──致冷機向T1放熱證明：用反正法（假設(shè)開爾文表述不成立）假設(shè)：熱機從高溫熱源T1吸收熱量Q1，全部變成有用功A而不產(chǎn)生其它影響。用這部熱機做的功A去驅(qū)動另一部制冷機，它從低溫熱源T2吸收熱量Q2，在高溫熱源放出A+Q2＝Q1+Q2，于是兩部機器合起來，總的效果等于一部機器，它從低溫熱源T2吸收熱量Q2，在高溫熱源放出Q2，此外沒有其它變化，這是違反克勞修斯表述。等效熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的證明：用反正法（克勞修斯表述不成立）假設(shè)：熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，因而可以設(shè)計一卡諾熱機，工作于這兩個熱源之間，從高溫熱源T1吸收熱量Q1，向低溫熱源放出熱量Q2，同時對外做功A；我們使Q2自動傳到高溫熱源。經(jīng)過一個循環(huán)后，總的效果是從高溫熱源T1吸取熱量Q1－｜Q2｜，低溫熱源狀態(tài)不變。這相當于是從單一熱源吸取熱量對外做功的機器，因而違了開爾文表述。等效T2──低溫熱源Q2──熱量通過假想裝置自動地從T2傳向T1Q1──卡諾熱機從T1吸熱A──卡諾熱機對外作功自學(xué)指導(dǎo)2（限時2分鐘）2.閱讀課本61-62頁能源是有限的部分①能源的概念以及能源的利用時期？能量的耗散：能量被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用。機械能、光能、化學(xué)能、電能等，我們很容易利用稱為高品質(zhì)能量。內(nèi)能是低品質(zhì)能量，利用比較困難，且能量都是自發(fā)的向低品質(zhì)方向進行的。能源：其實是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲能物質(zhì)

自然界的一切變化，人類社會的所有活動，都伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化，能量是一切物質(zhì)運動的源泉，是一切生命活動的基礎(chǔ)。柴薪時期煤炭時期石油時期

能量被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散?；瘜W(xué)能→電能電能→內(nèi)能和光能能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性?！纳⒃诃h(huán)境中高品質(zhì)：機械能、光能、化學(xué)能、電能低品質(zhì)：內(nèi)能轉(zhuǎn)化方向不可逆能源：其實是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲能物質(zhì)例如石油、天然氣、煤等。所以要節(jié)約資源能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性。

每天我們使用的能源最后都轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，能源消耗使得周圍環(huán)境升溫。分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能自動聚集起來驅(qū)動機器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。1、能量耗散2、品質(zhì)降低

機械能、光能、化學(xué)能、電能相對于周圍環(huán)境中的內(nèi)能來說，可利用的品質(zhì)要高。能量在利用過程中，總是由高品質(zhì)的能量最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量。雖然能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)下降了。能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性。

每天我們使用的能源最后都轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，能源消耗使得周圍環(huán)境升溫。分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能自動聚集起來驅(qū)動機器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。1、能量耗散2、品質(zhì)降低

機械能、光能、化學(xué)能、電能相對于周圍環(huán)境中的內(nèi)能來說，可利用的品質(zhì)要高。能量在利用過程中，總是由高品質(zhì)的能量最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量。雖然能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)下降了。

這16種分布中的每一種是一種微觀態(tài)。在自由膨脹前，只有一個微觀態(tài)，即4個分子都在A中。自由膨脹后，16個微觀態(tài)都可能實現(xiàn)。自由膨脹前的宏觀態(tài)只包含第一個微觀態(tài)，自由膨脹后的宏觀