人教版高中物理选择性必修第三册热力学第二定律的理解课件

第三章热力学定律热力学第二定律的理解12精彩动图12学习目标31、知道热力学第二定的两种表述2、理解热力学第二定律的两种表述并知道两种表述的联系3、能区分和比较热力学第一定律和第二定律一热力学第二定律的克劳修斯表述二热力学第二定律的开尔文表述//////////////三热机的工作过程四热力学第二定律的两种表述之间的关系//////////////五热力学第二定与第一定律的比较///////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：高温热库T1低温热库T2Q1Q2做功制冷机W1、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W：外界所做的功Q2：从低温热库吸收的热量2、制冷机工作原理Q1=Q2+W一、热力学第二定律的克劳修斯表述克劳修斯表述的说明：热力学第二定律是用否定语句表述的（绝大多数物理定律都是用肯定语句表述的），它告诉我们什么样的过程不可能发生。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，热量就能从一个物体传向另一个物体。⑶克劳修斯表述也相当于：如果一台制冷机，制冷系数为：，W为外界对机器做的功，Q2为从低温物体吸收的热量。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。当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。(3)如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源.按此设想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.3、理解：(2)要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。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)克劳修斯表述阐述的是传热的方向性——两个温度不同的物体相互接触时,热量可以自发地从高温物体传向低温物体。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.”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）2、热机工作原理高温热库T1低温热库T2Q1Q2对外做功热机WQ1：从高温热库吸收的热量W：对外界所做的功Q2：向低温热库散发的热量Q1=Q2+W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。二、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。如果一台热机，效率为：，热机从热源吸取的热量Q1全部变成功W，即Q2＝0，该机器唯一的结果就是从单一热源吸取热量全部变成功而不产生其它影响。此时热机的效率η＝1(100%)，η＝1的热机称为第二类永动机。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。开尔文表述的说明：（1）开尔文表述揭示机械能与内能转化方向性——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。3、理解：（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。单独提供热不足以给出推动力，还必须要冷。没有冷，热将是无用的。（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。

在整个自然界中，无论是他有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程。如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，人的一生从婴儿到老年到死亡等。三、热机的工作过程⑴从能量转化的角度看，热机的工作分为两个阶段：①燃烧燃料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②对外做功⑵从能流分配的角度看：W<Q柴油机汽缸燃料的化学能工作物质的内能机械能对外做功燃烧燃料产生的热量Q输出机械功W漏气热损散热热损摩擦热损W<Q思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W？高温热库QW燃料在燃烧（高温物体）冷凝器或大气（低温物体）自发

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W<Q四、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.热力学第二定律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.两种表述的实质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。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.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。

不管如何表述，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。五、热力学第二定律与第一定律的比较

热力学第一定律热力学第二定律区别联系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。热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等价的Q1──热机从T1吸热A──热机输出功Q2──热机从T2吸热Q1+Q2──致冷机向T1放热证明：用反正法（假设开尔文表述不成立）假设：热机从高温热源T1吸收热量Q1，全部变成有用功A而不产生其它影响。用这部热机做的功A去驱动另一部制冷机，它从低温热源T2吸收热量Q2，在高温热源放出A+Q2＝Q1+Q2，于是两部机器合起来，总的效果等于一部机器，它从低温热源T2吸收热量Q2，在高温热源放出Q2，此外没有其它变化，这是违反克劳修斯表述。等效热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的证明：用反正法（克劳修斯表述不成立）假设：热量可以从低温物体传到高温物体，因而可以设计一卡诺热机，工作于这两个热源之间，从高温热源T1吸收热量Q1，向低温热源放出热量Q2，同时对外做功A；我们使Q2自动传到高温热源。经过一个循环后，总的效果是从高温热源T1吸取热量Q1－｜Q2｜，低温热源状态不变。这相当于是从单一热源吸取热量对外做功的机器，因而违了开尔文表述。等效T2──低温热源Q2──热量通过假想装置自动地从T2传向T1Q1──卡诺热机从T1吸热A──卡诺热机对外作功【例1】

(多选)下列说法正确的是(

)A．两个物体只要温度相等，那么它们分子热运动的平均动能就相等

B．在自然界能量的总量是守恒的，所以不存在能源危机C．热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”E．1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的内能小些【典例体验】解析温度是分子热运动平均动能的标志，两个物体只要温度相等，那么它们分子热运动的平均动能相等，A正确；虽然在自然界能量的总量是守恒的，但能量的转化和转移具有方向性，B错误；热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成，C正确；热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他的变化”，D错误；1kg的0℃的冰变成1kg的0℃的水要吸收热量，E正确。答案

ACE【例2】下列关于热力学第二定律的说法正确的是(

)A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C．机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能D．气体向真空的自由膨胀是可逆的E．热运动的宏观过程有一定的方向性解析符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，选项A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，选项B正确；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，选项C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项D错误；热运动的宏观过程有一定的方向性，选项E正确。答案BCE【例3】(多选)根据热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是(

)A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293℃D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以被制造出来E．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热量可以逆向传递解析机械能可以全部转化为内能，而内能也可以全部转化为机械能，只是在这个过程中会引起其他变化，A正确；根据热力学第二定律可知，自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，B正确；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293℃，只能接近－273.15℃，却不可能达到，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能被制造出来，D错误；根据热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但在不自发的条件下，能从低温物体传递到高温物体，E正确。答案

ABE【针对训练】1．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(

)A．气体吸热后温度一定升高B．对气体做功可以改变其内能C．理想气体等压膨胀过程一定放热D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡解析气体内能的改变ΔU＝Q＋W，故对气体做功可改变气体内能，选项B正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W的情况，故不能确定气体温度的变化，选项A错误；理想气体等压膨胀，W<0，由理想气体状态方程pV＝CT，p不变，V增大，气体温度升高，内能增大，ΔU>0，由ΔU＝Q＋W，知Q>0，气体一定吸热，选项C错误；由热力学第二定律，选项D正确；根据热平衡原理，选项E正确。答案BDE2．(多选)根据热力学定律，下列说法正确的是(

)A．电冰箱的工作表明，热量可以从低温物体向高温物体传递B．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量C．科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机D．即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能E．对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”解析热量可以在外界做功的情况下从低温物体向高温物体传递，但不能自发进行，选项A正确；空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量，选项B正确；不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，故选项C错误；根据热力学第二定律，即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能，故选项D正确；对能源的过度消耗将形成“能源危机”，但自然界的总能量守恒，故选项E错误。答案ABD

3．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(

)A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以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E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程解析内能的改变可以通过做功或热传递进行，故A对；对某物体做功，若物体向外放热，则物体的内能不一定增加，B错；在引起其他变化的情况下，从单一热源吸收热量可以将其全部变为功，C对；在引起其他变化的情况下，可以将热量从低温物体传向高温物体，D错；涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故E对。答案ACE4．(多选)下列说法正确的是(

)A．压缩气体总能使气体的温度升高B．能量耗散过程中能量是守恒的C．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能