熱力學(xué)第二定律高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

第三章熱力學(xué)定律3.4熱力學(xué)第二定律水中擴(kuò)散后的顏料不會(huì)自發(fā)地重新聚集在一起，因?yàn)榉肿拥臄U(kuò)散運(yùn)動(dòng)是從密度較大的區(qū)域向密度較小的區(qū)域進(jìn)行的,并且這個(gè)過程是不可逆的。?熱力學(xué)第二定律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(gè)導(dǎo)致能量創(chuàng)生或能量消失的過程是不可能出現(xiàn)的。然而，并不是所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發(fā)地進(jìn)行。將一塊燒紅的鐵塊投入冷水中，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？鐵塊的溫度降低，水的溫度升高，最終兩者溫度相同。會(huì)不會(huì)出現(xiàn)鐵塊溫度更高，水的溫度更低的情況？無數(shù)事實(shí)告訴我們，凡是實(shí)際的過程，只要涉及熱現(xiàn)象，如物體間的傳熱、氣體的膨脹、擴(kuò)散、有摩擦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)······都有特定的方向性。這些過程可以自發(fā)地朝某個(gè)方向進(jìn)行，例如，熱由高溫物體傳向低溫物體，而相反的過程，即使不違背能量守恒定律，我們也從未見到它們會(huì)自發(fā)地進(jìn)行。這就是說，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(secondlawofthermodynamics)。熱傳導(dǎo)的方向性熱傳導(dǎo)的過程是有方向性的，這個(gè)過程可以向一個(gè)方向自發(fā)地進(jìn)行，但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進(jìn)行。要實(shí)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。熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。這是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述(RudolfJuliusEmanuelClausius，1822年1月2日－1888年8月24日)(1)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。(2)熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，但會(huì)引起其它變化，比如冷機(jī)做功。說明：這里闡述的是傳熱的方向性。在這個(gè)表述中，“自發(fā)”二字指的是：當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，不需要任何第三者的介入、不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生任何影響，熱量就能從一個(gè)物體傳向另一個(gè)物體。當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體接觸時(shí)，這個(gè)“自發(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體的。電冰箱工作時(shí),熱量從低溫物體傳到高溫物體,需要壓縮機(jī)工作消耗電能,正好驗(yàn)證了克勞修斯對(duì)熱力學(xué)第二定律的闡述.在電冰箱的實(shí)例中，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(gè)過程必須有第三者的介入：必須開動(dòng)冰箱的壓縮機(jī)。如果不供電，冰箱的壓縮機(jī)會(huì)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(圖3.4-1)。電冰箱的內(nèi)部溫度比外部溫度低，為什么致冷系統(tǒng)還能不斷地把箱內(nèi)熱量傳給外界的空氣？因?yàn)殡姳湎牧穗娔埽瑢?duì)制冷系統(tǒng)做了功，一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了。相反，外界的熱量會(huì)自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高。電冰箱制冷系統(tǒng)貯藏的食品大氣熱量熱量電源做功熱力學(xué)第二定律的開爾文表述從能量的角度看，熱機(jī)的工作分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能；第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外做功，把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能。典例探究例題1：下列說法中，正確的是(

)A．一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都具有方向性B．熱量不可能由低溫物體傳給高溫物體C．氣體的擴(kuò)散過程具有方向性D．一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都不具有可逆性C熱機(jī)工作時(shí)從高溫?zé)釒?kù)吸收的熱量Q，只有一部分用來做功卬，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，另一部分熱量要排放給低溫?zé)釒?kù)(冷凝器或大氣)(圖3.4-2)。也就是說，熱機(jī)在工作過程中必然排出部分熱量，熱機(jī)用于做功的熱量一定小于它從高溫?zé)釒?kù)吸收的熱量，即W＜Q熱機(jī)工作時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生漏氣熱損、散熱熱損和摩擦熱損等熱量損失(圖3.4-3)。如果沒有漏氣和摩擦，也沒有機(jī)體熱量的損失，燃料產(chǎn)生的熱量也不可能完全轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，工質(zhì)吸收的熱量不會(huì)全部變成功，例如，汽車排出氣體的溫度一定會(huì)比空氣的溫度高，它會(huì)向空氣散熱。熱力學(xué)第二定律的開爾文表述開爾文·在分析了熱機(jī)及其他涉及做功的熱學(xué)過程后于1851年提出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。這里所說“不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量”，意思是：不僅要從一個(gè)熱庫(kù)吸熱，而且一定會(huì)向另一個(gè)熱庫(kù)放熱。說明：(1)不僅要從一個(gè)熱庫(kù)吸熱，而且一定會(huì)向另一個(gè)熱庫(kù)放熱。(2)機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但這個(gè)過程是不可逆的。熱力學(xué)第二定律的開爾文表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性：機(jī)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)化成機(jī)械能。例如，兩個(gè)相互接觸并做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體，由于摩擦而靜止下來，它們?cè)谶@個(gè)過程中消耗的機(jī)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(jìn)行而不產(chǎn)生其他影響。上述現(xiàn)象是不可能發(fā)生的。問題的實(shí)質(zhì)仍然是：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但這個(gè)過程是不可逆的?？梢宰C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(jià)的。熱力學(xué)第二定律兩種表述的比較開爾文表述實(shí)質(zhì)說明功變熱過程的不可逆性，克勞修斯表述則說明熱傳導(dǎo)過程的不可逆性，兩種表述是等價(jià)的，可用反證法證明。違背開爾文表述一定違背克勞修斯表述

如果開爾文表述不成立，可制成一個(gè)單熱源熱機(jī)，將它同另一個(gè)制冷機(jī)組成復(fù)合機(jī)，如圖所示，其總效果相當(dāng)于一個(gè)無功致冷機(jī)，于是克勞修斯表述也就不成立。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。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(dá)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(shí)現(xiàn)的條件和過程進(jìn)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(dú)立，又相互補(bǔ)充。典例探究例題2：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說法中正確的有(

)A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，但熱能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，熱能也可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能BD?

能源是有限的自然界的一切變化，人類社會(huì)的所有活動(dòng)，都伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化，能量是一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的源泉，是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。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。在取暖照明、耕田型地、車鉆磨鍛、開車駕船······名種各樣的活動(dòng)中，機(jī)械能、電能、光能、聲能、化學(xué)能、核能、生物能……最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中。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。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，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(diǎn)，卻再也不能自動(dòng)聚集起來驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。周圍環(huán)境中的內(nèi)能很難再利用，而機(jī)械能、光能、化學(xué)能、電能相對(duì)于周圍環(huán)境中的內(nèi)能來說，可利用的品質(zhì)要高。所謂能源，其實(shí)是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì)，例如石油、天然氣、煤等。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。雖然能量總量不會(huì)減少，但能源會(huì)逐步減少，因此能源是有限的資源。熵與熵增加原理自然界的很多過程是不可逆的。例如，一個(gè)容器被隔板均分為A、B兩部分，一定量的氣體處于容器A中，而B為真空(圖3.4-4)。抽取隔板K，A中的氣體就會(huì)擴(kuò)散到B中，最后整個(gè)容器的A、B兩部分都均勻地分布了這種氣體。這個(gè)過程顯然是不可逆的。這種不可逆的現(xiàn)象可以從微觀角度來解釋。設(shè)想開始時(shí)有4個(gè)氣體分子分布在A中。如果沒有隔板，對(duì)于這4個(gè)分子中的每一個(gè)都有兩種可能性，即它處在A中，或處在B中。4個(gè)分子共有24＝16種可能的分布，如圖3.4-5所示。

生活中我們常說到有序和無序這兩個(gè)詞。一副撲克牌，按黑桃、紅桃、梅花、方塊的順序而且從小到大排列，我們說它是有序的，洗牌之后有序變成了無序。當(dāng)然也可以規(guī)定奇數(shù)牌在先，偶數(shù)牌在后，等等。只要確定了某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就是有序的。由許多張紙牌組成的系統(tǒng)，如果對(duì)個(gè)體的分布沒有確定的要求，怎樣分布都可以，我們就說這樣的分布是無序的，有序與無序是相對(duì)的。相對(duì)于膨脹后的狀態(tài)，物理學(xué)中把氣體膨脹前的狀態(tài)叫作有序狀態(tài)，而氣體自由膨脹后的狀態(tài)變得更混亂與無序，是無序狀態(tài)。其實(shí)，把事情搞得亂糟糟的方式要比把事情做得整整齊齊的方式多得多。比如，要讓操場(chǎng)上的一群學(xué)生按班級(jí)、身高，或按任何一種規(guī)則來站隊(duì)都是比較麻煩的：組織者需要按規(guī)則來確定每個(gè)學(xué)生的位置，每個(gè)學(xué)生都要尋找自己的位置。但是，要讓已經(jīng)排好隊(duì)的學(xué)生解散，那就非常簡(jiǎn)單，每個(gè)學(xué)生隨便朝一個(gè)方向跑去，隊(duì)形就亂了。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來解釋，按一定規(guī)則排列的隊(duì)形只有少數(shù)幾種，而學(xué)生解散后的混亂狀態(tài)有無數(shù)種。這樣混亂狀態(tài)出現(xiàn)的概率要遠(yuǎn)大于整齊排列狀態(tài)出現(xiàn)的概率。一個(gè)系統(tǒng)總是自發(fā)地從有序狀態(tài)向混亂的無序狀態(tài)發(fā)展。1850年，克勞修斯首次提出熵的概念，可用來表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)的無序程度，系統(tǒng)從有序向無序的發(fā)展過程中熵在增加。在物理學(xué)中，不與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)叫作孤立系統(tǒng)。在自發(fā)過程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展，即一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的，這就是增加原理。從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從小的狀態(tài)向大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展。熵的概念現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于信息學(xué)、天體物理學(xué)、生命科學(xué)、社會(huì)學(xué)等領(lǐng)域，在不同的學(xué)科中也有引申出的更為具體的定義。練習(xí)與應(yīng)用1.汽車行駛時(shí)，要消耗汽油。盡量詳盡地說明：汽油燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能通過哪些途徑最終轉(zhuǎn)化成了周圍環(huán)境的內(nèi)能。解：化學(xué)能變成了汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能，一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為汽車的動(dòng)能,另一部分散失到周圍環(huán)境中成為環(huán)境的內(nèi)能，汽車的動(dòng)能通過摩擦轉(zhuǎn)化為環(huán)境的內(nèi)能.汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能還有一部分通過汽車發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為蓄電池內(nèi)的化學(xué)能，使用蓄電池時(shí)，這部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能又通過車燈轉(zhuǎn)化為光能和熱能,光照到地面、空氣,轉(zhuǎn)化為環(huán)境的內(nèi)能.2.以下哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生、哪些不能發(fā)生?能夠發(fā)生的現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律?(1)一杯熱茶自然放置，茶會(huì)自動(dòng)變得更熱。解：不能發(fā)生，熱茶溫度比周圍環(huán)境溫度高,熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.(2)蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。解：不能發(fā)生，蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必定需要做功,即熱蒸汽推動(dòng)活塞做功，這一過程中，一方面由于活塞摩擦汽缸而產(chǎn)生內(nèi)能，另一方面熱蒸汽與周圍環(huán)境有溫度差，蒸汽機(jī)會(huì)向周圍環(huán)境散熱.所以，蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是不可能的.(3)桶中混濁的泥水在靜置一段時(shí)間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動(dòng)分離。解：能發(fā)生,渾濁的泥水靜置一段時(shí)間后,由于泥沙比水的密度大,泥沙會(huì)自動(dòng)下沉,從而使得上面的渾水變清了.此過程不違背熱力學(xué)第二定律,泥沙的重心降低,重力勢(shì)能減少了,水的重心升高,水的重力勢(shì)能增加了，但系統(tǒng)總的重力勢(shì)能減少了,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而機(jī)械能百分百地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是可能的.(4)電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體。解：能發(fā)生,電冰箱通電后,電冰箱內(nèi)的壓縮機(jī)工作,消耗電能,將熱量由箱內(nèi)低溫物體傳遞到箱外高溫物體.沒有違背熱力學(xué)第二定律,因?yàn)樗峭ㄟ^消耗了電能而引起其他變化的.3.一間密閉