第三章熱力學(xué)定律3.4熱力學(xué)第二定律目錄CONTENTS1

學(xué)習(xí)目標(biāo)2

新課導(dǎo)入3

新課講解4

課堂小結(jié)5

典例分析當(dāng)堂小練61.了解熱傳遞、擴(kuò)散現(xiàn)象、機(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等都具有方向性。知道具有方向性的過(guò)程為不可逆的。2.了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述,并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不能制造成功。3.能用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問(wèn)題,并能解決一些實(shí)際問(wèn)題。4.了解能量耗散、能源和環(huán)境。學(xué)習(xí)目標(biāo)

一滴紅色顏料滴進(jìn)一杯清水中擴(kuò)散，整杯水將均勻地變紅。從系統(tǒng)的角度來(lái)看，擴(kuò)散之前是一種狀態(tài)，擴(kuò)散后是另一種狀態(tài)。那么，水中擴(kuò)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？新課導(dǎo)入能量守恒定律告訴我們，在自然界發(fā)生的一切過(guò)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(guò)程是不可能出現(xiàn)的。符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能自發(fā)地進(jìn)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。能量守恒定律告訴我們，在自然界發(fā)生的一切過(guò)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(guò)程是不可能出現(xiàn)的。符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能自發(fā)地進(jìn)行嗎？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。能量守恒定律告訴我們，在自然界發(fā)生的一切過(guò)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(guò)程是不可能出現(xiàn)的。符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能自發(fā)地進(jìn)行嗎？擴(kuò)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(kuò)散。無(wú)數(shù)事實(shí)告訴我們，凡是實(shí)際的過(guò)程，只要涉及熱現(xiàn)象，都有特定的方向性。這些過(guò)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(guò)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(shuō)，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的。在物理學(xué)中，反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。一、熱力學(xué)第二定律熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。熱力學(xué)第二定律是用否定語(yǔ)句表述的（絕大多數(shù)物理定律都是用肯定語(yǔ)句表述的），它告訴我們什么樣的過(guò)程不可能發(fā)生。1、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）：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(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。新課講解⑶克勞修斯表述也相當(dāng)于：如果一臺(tái)制冷機(jī)，制冷系數(shù)為：，W為外界對(duì)機(jī)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(tái)制冷機(jī)器，W→0，ε→∝，該機(jī)器在一個(gè)循環(huán)動(dòng)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。電冰箱通電后箱內(nèi)溫度低于箱外溫度，并且還會(huì)繼續(xù)降溫，直至達(dá)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(shí)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(guò)程，這個(gè)過(guò)程必須有第三者的介入，即壓縮機(jī)消耗電能，對(duì)制冷系統(tǒng)做了功。

一旦切斷電源，冰箱的壓縮機(jī)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(guò)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。

熱傳導(dǎo)的方向性1、熱傳導(dǎo)的過(guò)程是有方向性的，這個(gè)過(guò)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。2、要實(shí)現(xiàn)相反方向的過(guò)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。熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響。

熱機(jī)的工作過(guò)程⑴從能量轉(zhuǎn)化的角度看，熱機(jī)的工作分為兩個(gè)階段：①燃燒燃料工作物質(zhì)把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能②對(duì)外做功⑵從能流分配的角度看：W<Q機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。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。2、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述（英國(guó)物理學(xué)家開爾文在1851年提出）：⑴這里闡述的是機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。⑵“不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量”的意義：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。⑶克勞修斯表述也可以改為：第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的。

如果一臺(tái)熱機(jī)，效率，熱機(jī)從熱源吸取的熱量Q1全部變成功W，即Q2＝0，該機(jī)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(shí)熱機(jī)的效率η＝1，η＝1的熱機(jī)稱為第二類永動(dòng)機(jī)。在水平地面上滾動(dòng)的足球，摩擦力做負(fù)功，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終停了下來(lái)，同時(shí)產(chǎn)生的熱量散失在周圍的環(huán)境中。會(huì)不會(huì)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(dòng)能，讓足球又滾動(dòng)起來(lái)？上述現(xiàn)象是不可能發(fā)生的。問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但這個(gè)過(guò)程是不可逆的。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(dòng)機(jī)。是關(guān)于在有限空間和時(shí)間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程具有不可逆性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從而否定了第二類永動(dòng)機(jī)。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(guò)程所遵循的規(guī)律，二者相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)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(jià)的。Q1──熱機(jī)從T1吸熱A──熱機(jī)輸出功Q2──熱機(jī)從T2吸熱Q1+Q2──致冷機(jī)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(jī)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(jī)做的功A去驅(qū)動(dòng)另一部制冷機(jī)，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(jī)器合起來(lái)，總的效果等于一部機(jī)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(jià)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(jì)一卡諾熱機(jī)，工作于這兩個(gè)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(shí)對(duì)外做功A；我們使Q2自動(dòng)傳到高溫?zé)嵩础＝?jīng)過(guò)一個(gè)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(duì)外做功的機(jī)器，因而違了開爾文表述。等效T2──低溫?zé)嵩碤2──熱量通過(guò)假想裝置自動(dòng)地從T2傳向T1Q1──卡諾熱機(jī)從T1吸熱A──卡諾熱機(jī)對(duì)外作功二、能源是有限的能量在數(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(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程叫作“能量耗散”。1、能量耗散2、品質(zhì)降低機(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(lái)說(shuō)，可利用的品質(zhì)要高。能量在利用過(guò)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(huì)減少，但能源會(huì)逐步減少，因此能源是有限的資源。能源的使用過(guò)程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)下降了。課堂小結(jié)【例題1】根據(jù)熱力學(xué)第二定律判斷，下列說(shuō)法正確的是（）A.功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，但熱不能全部轉(zhuǎn)化為功B.熱可以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C.氣體向真空的自由膨脹是不可逆的D.隨著技術(shù)的進(jìn)步，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%C典例分析解析：

功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，根據(jù)熱力學(xué)第二定律的開爾文表述，不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響，把熱全部轉(zhuǎn)換為功并不是不可能，只是需要產(chǎn)生其他影響而已，所以A錯(cuò)誤；熱可以從高溫物體傳到低溫物體，根據(jù)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述，不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化，也就是說(shuō)熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，只是需要產(chǎn)生其他影響，所以B錯(cuò)誤；一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都是不可逆的，所以C正確；熱機(jī)的效率絕對(duì)不可能達(dá)到100%，一定會(huì)有能量損失，所以D錯(cuò)誤?！纠}2】在熱學(xué)中,下列說(shuō)法正確的是 (

)A.第一類永動(dòng)機(jī)不可制成是由于它違背了能量守恒定律B.第二類永動(dòng)機(jī)不可制成是由于它違背了能量守恒定律C.熱力學(xué)第二定律告訴我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D.熱量只能從高溫物體傳向低溫物體,而不能從低溫物體傳向高溫物體A不消耗能量而不斷對(duì)外做功的第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的,因?yàn)樗`背了能量守恒定律,故A正確;從單一熱庫(kù)吸收熱量而對(duì)外做功的第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律,但違反了熱力學(xué)第二定律,故B錯(cuò)誤;熱力學(xué)第二定律告訴我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能在“一定的條件下”也能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,故C錯(cuò)誤;熱量能從高溫物體傳向低溫物體,在“一定的條件下”也能從低溫物體傳向高溫物體。故D錯(cuò)誤。。解析：【例題3】熱現(xiàn)象過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。下列關(guān)于能量耗散的說(shuō)法中正確的是(

)A.能量耗散不符合熱力學(xué)第一定律B.能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C.能量耗散過(guò)程中能量不守恒D.能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程具有方向性D解析：能量耗散是指能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中擴(kuò)散到周圍環(huán)境中無(wú)法再自動(dòng)聚集起來(lái),其滿足熱力學(xué)第一定律,也符合熱力學(xué)第二定律,能量在數(shù)量上并未減少,但是可利用的品質(zhì)上降低了。能量耗散反映了涉及熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過(guò)程都具有方向性,所以A、B、C錯(cuò)誤,D正確。1、自然界的很多過(guò)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。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(guò)程顯然是不可逆的。熵與熵增加原理2、不可逆的現(xiàn)象可以從微觀角度來(lái)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，如下右圖所示。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(gè)微觀態(tài)，即4個(gè)分子都在A中。自由膨脹后，16個(gè)微觀態(tài)都可能實(shí)現(xiàn)。自由膨脹前的宏觀態(tài)只包含第一個(gè)微觀態(tài)，自由膨脹后的宏觀態(tài)包含16個(gè)微觀態(tài)。假定實(shí)現(xiàn)每一微觀態(tài)的概率是相等的，則自由膨脹后回復(fù)到自由膨脹前狀態(tài)的概率為1/16。一般地說(shuō)，如果A中氣體數(shù)量為N個(gè)，則自由膨脹后的氣體要回復(fù)到自由膨脹前的概率為。實(shí)際上，氣體內(nèi)的分子數(shù)很大，因此自由膨脹的氣體要自發(fā)地回復(fù)到膨脹前的狀態(tài)實(shí)際上是不可能的。3、有序和無(wú)序相對(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(wú)序，是無(wú)序狀態(tài)。一個(gè)系統(tǒng)總是自發(fā)地從有序狀態(tài)向無(wú)序的混亂狀態(tài)發(fā)展。1850年，克勞修斯首次提出熵的概念，熵可用來(lái)表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度，系統(tǒng)從有序向無(wú)序的發(fā)展過(guò)程中熵在增加。4、熵在物理學(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(guò)程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無(wú)序方向發(fā)展，即一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的，這就是熵增加原理。5、熵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)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)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。學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)1.下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀意義的說(shuō)法正確的是(

)A．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B．一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行C．有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過(guò)程沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性減小的方向進(jìn)行D．在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵一定會(huì)減小答案：A解析：系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程就是大量分子無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，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，A正確；根據(jù)熵增加原理，一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，B、C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵一定不會(huì)減小，D錯(cuò)誤．2．關(guān)于自然過(guò)程中的方向性，下列說(shuō)法正確的是(

)A．摩擦生熱的過(guò)程是可逆的B．凡是符合能量守恒的過(guò)程一般都是可逆