（名校推荐）专题10.4-热力学第二定律(名师公开课省级获奖课件)-高中物理选修3-3电子教案.ppt

1、复习1 1、热力学第一定律、热力学第一定律2 2、能量守恒定律、能量守恒定律思考：思考：根据能量守恒定律，在自根据能量守恒定律，在自然界发生的一切过程中能量都是然界发生的一切过程中能量都是守恒的。那么符合能量守恒的宏守恒的。那么符合能量守恒的宏观过程是否都能发生呢？观过程是否都能发生呢？ 将一块烧红的铁块将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生投入冷水中，会发生什么现象什么现象？ 铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同 将烧红的铁块投入水中，结将烧红的铁块投入水中，结果会不会果会不会铁块温度更高，铁块温度更高，水的水的温度更低？温度更低？ 一个在水平地面上运动的物一个在水平地面上运动的物体，

2、由于克服摩擦力做功，最体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，物体的动能转化成为内能，使使物体和地面的温度升高。物体和地面的温度升高。 我们能不能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 在物理学中，反映宏观自然过程在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律的方向性的定律就是热力学第二定律（second law of thermodynamics).second law of thermodynamics).共

3、同特征：共同特征： 热量不能自发地从低温热量不能自发地从低温物体传到高温物体。物体传到高温物体。（克劳修斯表述）（克劳修斯表述）说明： （1）克劳修斯表述中强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可能从低温物体传到高温物体。” （2）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”。 （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。 电冰箱的内电冰箱的内部温度比外部部温度比外部温度低，为什温度低，

4、为什么致冷系统还么致冷系统还能不断地把箱能不断地把箱内热量传给外内热量传给外界的空气？界的空气？ 因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高 贮藏的贮藏的食品食品大气大气电冰箱制冷系统 有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其它变化 热机是一种把热机是一种把内能内能转化为转化为机械能机械能的装置的装置 气缸中的气体得到气缸中的气体得到燃料燃烧时产生的燃料燃烧时产生的

5、热量热量Q1 推动活塞做功推动活塞做功W 排出废气，同时把排出废气，同时把热量热量Q2散发到大气散发到大气中。中。 Q1=W+Q2 热机效率热机效率=W/Q1不可能从单一热库吸收热不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不量，使之完全变成功，而不产生其他影响。产生其他影响。（开尔文表（开尔文表述）述）热源热源冷凝器冷凝器热机热机1，按热传递的方向性来表述，按热传递的方向性来表述2，是按机械能与内能转化过，是按机械能与内能转化过程的方向来表述。程的方向来表述。 开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的。可用反证法证明。违背开尔文表述一定

6、违背克劳修斯表述违背开尔文表述一定违背克劳修斯表述 Q Q1 1热机从热机从T T1 1吸热吸热A A 热机输出功热机输出功Q Q2 2热机从热机从T T2 2吸热吸热Q Q1 1+ +Q Q2 2致冷机向致冷机向T T1 1放热放热 如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同另一个制冷机组成复合机，如图所示，其另一个制冷机组成复合机，如图所示，其总效果总效果相当于一个无相当于一个无功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立。功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立。违背克劳修斯表述一定违背开尔文表述违背克劳修斯表述一定违背开尔文表述 T2低温热

7、源低温热源 Q2热量通过假想装置自热量通过假想装置自动地从动地从T2传向传向T1Q1卡诺热机从卡诺热机从T1吸热吸热A 卡诺热机对外作功卡诺热机对外作功 开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的。可用反证法证明。 如果克劳修斯表述不成立，则可制成一个无功致冷机，将它如果克劳修斯表述不成立，则可制成一个无功致冷机，将它同另一个热机组成复合机，如图所示，就可使复合机成为一单热同另一个热机组成复合机，如图所示，就可使复合机成为一单热源热机，即开尔文表述也不成立。源热机，即开尔文表述也不成立。 任何一类宏观自然过程进行方向的说明都可以作为热力学第

8、二定律的表述。热源热源热机热机冷凝器冷凝器说明： （1）开尔文表述否定了第二类永动机的可能性。历史上曾有人企图制造“一种循环动作的热机，只从单一热源吸收热量，使之全部变为功，而不向低温热源放出热量，或者说不引起其它变化。”这种热机称为第二类永动机或单热源热机，其效率=100%。虽然它不违背热力学第一定律，但它违背了热力学第二定律的开尔文表述。 （2）开尔文表述中强调了“在不产生其他影响的条件下，热不能全部变为功。”如果允许“其他影响”发生，热可以全部变为功。例如气缸中理想气体作等温膨胀时，气体从恒温热源吸收的热量就可以全部用来对外做功。但气体“体积和压强”发生了变化，它不能循环动作返回原状态。

9、点击下图观看视频点击下图观看视频 思考思考 会不会有这样的现象：会不会有这样的现象：均匀混合的空气与均匀混合的空气与溴气过一段时间会自发地变的界线分明溴气过一段时间会自发地变的界线分明 ？动画：气体扩散的方向性动画：气体扩散的方向性点击下图观看视频点击下图观看视频 思考：思考：有没有这样的有没有这样的“逆过程逆过程”：从瓶中冲出：从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中，瓶中气体的压强达到了去的气体又自动回到瓶中，瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的压强。将瓶塞冲开时的压强。 课堂要点小结答案自测自测 教材P61第2题改编(多选)下列现象中能够发生的是A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B.蒸汽机

10、把蒸汽的内能全部转化成机械能C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体(多选)(2016全国卷33(1)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答案解析解析解析气体内能的改变UQW，故对气体做功可改变气体的内能，B选项正确；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，A选项错误；由

11、热力学第二定律，D选项正确；根据热平衡性质，E选项正确.(2018青海格尔木调研)根据你学过的热学中的有关知识，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.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体C.尽管科技不断进步，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，第二类永动机可以制造出来答案解析解析解析机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A

12、正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，B错误；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 ，只能无限接近273.15 ，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制造出来，D错误.1.1.有序和无序有序和无序有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。叫做有序。无序：不符合某种确定规则的称为无序。无序：不符合某种确定规则的称为无序。

13、无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。则相反。有序和无序是相对的。有序和无序是相对的。2.2.宏观态和微观态宏观态和微观态宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。系统的宏观态。微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。状态叫做这个宏观态的微观态。系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个无序程度的大小。如果一个“宏观态宏观态”对应的对应的

14、“微微观态观态”比较多，就说这个比较多，就说这个“宏观态宏观态”是比较无序的。是比较无序的。不可逆过程的统计性质不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）（以气体自由膨胀为例）一个被隔板分为一个被隔板分为A A、B B相等两部分的容器，装有相等两部分的容器，装有4 4个个涂以不同颜色分子涂以不同颜色分子。AB分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态） 14641开始时，开始时，4 4个分子都在个分子都在A A部，抽出隔板后分子将向部，抽出隔板后分子将向B B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4 4分子在容器中可能的

15、分布情形如下图所示：分子在容器中可能的分布情形如下图所示：AB 微观态共有微观态共有2 24 4=16=16种可能的方式，而且种可能的方式，而且4 4个分子全个分子全部退回到部退回到A A部的可能性即几率为部的可能性即几率为1/21/24 4=1/16=1/16。 一般来说，若有一般来说，若有N N个分子，则共个分子，则共2 2N N种可能方式，而种可能方式，而N N个分子全部退回到个分子全部退回到A A部的几率部的几率1/21/2N N. .对于真实理想气对于真实理想气体系统体系统N N 10102323/mol/mol，这些分子，这些分子全部退回到全部退回到A A部的几率部的几率为为 。此

16、数值极小，意味着此事件永远不会发生。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。231021 对单个分子或少量分子来说，它们扩散到对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B B部的过部的过程原则上是可逆的。程原则上是可逆的。 对大量分子组成的宏观系统来说，它们向对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B B部自由部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。的不可逆性在微观上的统计解释。第二定律的统计表述第二定律的统计表述（依然看前例）

17、（依然看前例）4 4个分子在容器中的分布对应个分子在容器中的分布对应5 5种种宏观态。宏观态。分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）左边一列的各种分布仅指出左边一列的各种分布仅指出A A、B B两边各有几个分子，代表的两边各有几个分子，代表的是系统可能的宏观态。中间各列是详细的分布，具体指明了是系统可能的宏观态。中间各列是详细的分布，具体指明了这个或那个分子各处于这个或那个分子各处于A A或或B B哪一边，代表的是系统的任意一哪一边，代表的是系统的任意一个微观态。个微观态。一种宏观态对应若干种微观态一种宏观态对应若干种微观态不同的宏观态对应的微观态数不同。不同的宏观态对应的微观态数不同。均匀分布对应的微观态数最多。均匀分布对应的微观态数最多。全部退回全部退回A A边仅对应一种微观态。边仅对应一种微观态。统计物理基本假定统计物理基本假定等几率原理：对于孤立系统，各种微观态等几率原理：对于孤立系统，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。出现的可能性（或几率）是相等的。4.4.熵与熵增加原理熵与熵增加原理