第三章熱力學(xué)定律熱力學(xué)第二定律的理解12精彩動圖12學(xué)習(xí)目標31、知道熱力學(xué)第二定的兩種表述2、理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述并知道兩種表述的聯(lián)系3、能區(qū)分和比較熱力學(xué)第一定律和第二定律一熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述二熱力學(xué)第二定律的開爾文表述//////////////三熱機的工作過程四熱力學(xué)第二定律的兩種表述之間的關(guān)系//////////////五熱力學(xué)第二定與第一定律的比較///////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?zé)釒霻1低溫?zé)釒霻2Q1Q2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?zé)釒旆懦龅臒崃縒：外界所做的功Q2：從低溫?zé)釒煳盏臒崃?、制冷機工作原理Q1=Q2+W一、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(dāng)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(dāng)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(dāng)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?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩?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.”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?zé)釒霻1低溫?zé)釒霻2Q1Q2對外做功熱機WQ1：從高溫?zé)釒煳盏臒崃縒：對外界所做的功Q2：向低溫?zé)釒焐l(fā)的熱量Q1=Q2+W熱機的效率小于100%，就不可能把從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為機械能，總有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。二、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。三、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?zé)釒霶W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?zé)釒煳盏臒崃?，即W<Q四、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，又相互補充.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。五、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，又相互補充，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?zé)嵩碩1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?zé)嵩碩2吸收熱量Q2，在高溫?zé)嵩捶懦鯝+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?zé)嵩碩2吸收熱量Q2，在高溫?zé)嵩捶懦鯭2，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?zé)嵩碩1吸收熱量Q1，向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2，同時對外做功A；我們使Q2自動傳到高溫?zé)嵩础＝?jīng)過一個循環(huán)后，總的效果是從高溫?zé)嵩碩1吸取熱量Q1－｜Q2｜，低溫?zé)嵩礌顟B(tài)不變。這相當(dāng)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?zé)嵩碤2──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【例1】

(多選)下列說法正確的是(

)A．兩個物體只要溫度相等，那么它們分子熱運動的平均動能就相等

B．在自然界能量的總量是守恒的，所以不存在能源危機C．熱力學(xué)第一定律也可表述為第一類永動機不可能制成D．熱力學(xué)第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”E．1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的內(nèi)能小些【典例體驗】解析溫度是分子熱運動平均動能的標志，兩個物體只要溫度相等，那么它們分子熱運動的平均動能相等，A正確；雖然在自然界能量的總量是守恒的，但能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，B錯誤；熱力學(xué)第一定律也可表述為第一類永動機不可能制成，C正確；熱力學(xué)第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他的變化”，D錯誤；1kg的0℃的冰變成1kg的0℃的水要吸收熱量，E正確。答案

ACE【例2】下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說法正確的是(

)A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能發(fā)生B．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的C．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的E．熱運動的宏觀過程有一定的方向性解析符合能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律的宏觀過程不能發(fā)生，選項A錯誤；一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，選項B正確；機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能，選項C正確；氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，選項D錯誤；熱運動的宏觀過程有一定的方向性，選項E正確。答案BCE【例3】(多選)根據(jù)熱學(xué)中的有關(guān)知識，判斷下列說法中正確的是(

)A．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來做功轉(zhuǎn)化成機械能B．自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運動無序性增大的方向進行的C．盡管技術(shù)不斷進步，熱機的效率仍不能達到100%，制冷機卻可以使溫度降到－293℃D．第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，隨著科技的進步和發(fā)展，第二類永動機可以被制造出來E．空調(diào)既能制熱又能制冷，說明在不自發(fā)的條件下，熱量可以逆向傳遞解析機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，只是在這個過程中會引起其他變化，A正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運動無序性增大的方向進行的，B正確；盡管科技不斷進步，熱機的效率仍不能達到100%，制冷機也不能使溫度降到－293℃，只能接近－273.15℃，卻不可能達到，C錯誤；第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，而是違背了熱力學(xué)第二定律，第二類永動機不可能被制造出來，D錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，但在不自發(fā)的條件下，能從低溫物體傳遞到高溫物體，E正確。答案

ABE【針對訓(xùn)練】1．(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是(

)A．氣體吸熱后溫度一定升高B．對氣體做功可以改變其內(nèi)能C．理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D．熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E．如果兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)達到熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定達到熱平衡解析氣體內(nèi)能的改變ΔU＝Q＋W，故對氣體做功可改變氣體內(nèi)能，選項B正確；氣體吸熱為Q，但不確定外界做功W的情況，故不能確定氣體溫度的變化，選項A錯誤；理想氣體等壓膨脹，W<0，由理想氣體狀態(tài)方程pV＝CT，p不變，V增大，氣體溫度升高，內(nèi)能增大，ΔU>0，由ΔU＝Q＋W，知Q>0，氣體一定吸熱，選項C錯誤；由熱力學(xué)第二定律，選項D正確；根據(jù)熱平衡原理，選項E正確。答案BDE2．(多選)根據(jù)熱力學(xué)定律，下列說法正確的是(

)A．電冰箱的工作表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞B．空調(diào)機在制冷過程中，從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量C．科技的不斷進步使得人類有可能生產(chǎn)出從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化的熱機D．即使沒有漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失，熱機也不可以把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能E．對能源的過度消耗使自然界的能量不斷減少，形成“能源危機”解析熱量可以在外界做功的情況下從低溫物體向高溫物體傳遞，但不能自發(fā)進行，選項A正確；空調(diào)機在制冷過程中，從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量，選項B正確；不可能從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化，故選項C錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，即使沒有漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失，熱機也不可以把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，故選項D正確；對能源的過度消耗將形成“能源危機”，但自然界的總能量守恒，故選項E錯誤。答案ABD

3．(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是(

)A．為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或向它傳遞熱量B．對某物體做功，必定會使該物體的內(nèi)能增加C．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體E．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程解析內(nèi)能的改變可以通過做功或熱傳遞進行，故A對；對某物體做功，若物體向外放熱，則物體的內(nèi)能不一定增加，B錯；在引起其他變化的情況下，從單一熱源吸收熱量可以將其全部變?yōu)楣?，C對；在引起其他變化的情況下，可以將熱量從低溫物體傳向高溫物體，D錯；涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，故E對。答案ACE4．(多選)下列說法正確的是(

)A．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高B．能量耗散過程中能量是守恒的C．第一類永動機不可能制成，是因為違背了能