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3.4熱力學(xué)第二定律
選擇性必修第三冊(cè)&第三章 熱力學(xué)定律
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？
課堂引入
閱讀教材p59頁，并回答問題。
1.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述內(nèi)容？
2.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述內(nèi)容？
閱讀并回答：
一、熱力學(xué)第二定律—思考
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。那么符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發(fā)地進(jìn)行嗎？請(qǐng)舉例說明？
融化的冰糕，是否可以在同溫下是否可以重新凝固？
撒了氣的氣球，是否可以自發(fā)的把散掉的氣體重新收集起來？
不能
不能
觀看視頻思考與討論：
1.物體間的熱傳遞過程可逆嗎？
2.氣體的膨脹過程可逆嗎？
3.液滴的擴(kuò)散過程可逆嗎？
一、熱力學(xué)第二定律—方向性
物體間的傳熱
氣體的膨脹
擴(kuò)散現(xiàn)象
有摩擦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)
熱現(xiàn)象
特定的方向
溫度由高到低
體積由小到大
密度由密到疏
由功到熱
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。
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，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，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。
一、熱力學(xué)第二定律—方向性
1．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。
（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。
（3）克勞修斯表述闡述的是熱傳遞的方向性。
2.詮釋：
高溫
低溫
自發(fā)
外界做功
外界環(huán)境發(fā)生變化
克勞修斯
一、熱力學(xué)第二定律—克勞修斯表述
宏觀自然過程的方向性
思考
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？
電冰箱制冷系統(tǒng)
貯藏的食品
大氣
熱量
熱量
電源
做功
一、熱力學(xué)第二定律—克勞修斯表述
宏觀自然過程的方向性
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。
一、熱力學(xué)第二定律—克勞修斯表述
柴油機(jī)
汽缸
燃料的化學(xué)能
工作物質(zhì)的內(nèi)能
機(jī)械能
對(duì)外做功
燃燒
燃料產(chǎn)生的熱量Q
輸出機(jī)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(jī)燃料產(chǎn)生的熱量Q=W？
熱機(jī)工作的兩個(gè)階段：
一、熱力學(xué)第二定律—開爾文表述
高溫?zé)釒?br/>低溫?zé)釒?br/>Q
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(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)釒煳盏臒崃?，?br/>W< Q
一、熱力學(xué)第二定律—開爾文表述
2.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(tái)機(jī)器，在一個(gè)循環(huán)動(dòng)作后，只是從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Γ灰鹌渌兓?br/>（1）制熱機(jī)工作原理
高溫?zé)釒霻1
低溫?zé)釒霻2
Q1
Q2
對(duì)外做功
熱機(jī)
W
開爾文
Q1=Q2+W
Q1：從高溫?zé)釒煳盏臒崃?br/>W：對(duì)外界所做的功
Q2：向低溫?zé)釒焐l(fā)的熱量
注意：熱機(jī)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(jī)械能，總有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。
一、熱力學(xué)第二定律—開爾文表述
（2）開爾文表述的說明
①“不可能從單一熱庫吸收熱量”的意義：不僅要從一個(gè)熱庫吸熱，而且一定會(huì)向另一個(gè)熱庫放熱。
②這里闡述的是機(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)換成機(jī)械能（過程是不可逆的）
③開爾文表述也可以改為：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)，效率為： 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(100%)， η＝1的熱機(jī)稱為第二類永動(dòng)機(jī)。
一、熱力學(xué)第二定律—開爾文表述
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，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
機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的具有方向性
思考與討論
一、熱力學(xué)第二定律—開爾文表述
問題的實(shí)質(zhì)是：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但這個(gè)過程是不可逆的。
　 　 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)的物理過程、化學(xué)過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)。
一、熱力學(xué)第二定律—區(qū)別
閱讀教材p61頁，并回答問題。
1.能量和能源的區(qū)別？
閱讀并回答：
二、能源是有限的—思考
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)。
柴薪時(shí)期
煤炭時(shí)期
石油時(shí)期
二、能源是有限的—能量
1.能量耗散： 能量被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。
化學(xué)能→電能
電能→內(nèi)能和光能
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。
→耗散在環(huán)境中
二、能源是有限的—能量耗散
2.能源
（2）能源是有限的資源：能源的使用過程中雖然能量的總量保持守恒，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。
高品質(zhì)：機(jī)械能、光能、化學(xué)能、電能
低品質(zhì)：內(nèi)能
轉(zhuǎn)化方向不可逆
二、能源是有限的—能源
（1）定義：是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì)。
拓展：熵增
熵及熵增加原理
1.熵：熵可用來表達(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。
2.熵增加原理：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。
二、能源是有限的—拓展：熵增
　(多選)如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時(shí)制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是(　　)
典例分析
A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外
B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因?yàn)槠湎牧穗娔?br/>C．電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第一定律
D．電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第二定律
[答案]　BC
[解析]　熱力學(xué)第一定律適用于所有的熱學(xué)過程，C正確；由熱力學(xué)第二定律可知，A、D錯(cuò)誤，B正確。
典例分析
　1.(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，下列說法中正確的是
(　　)
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，也能從低溫物體傳到高溫物體
C．功可以全部變成熱量，但熱量不可能全部變成功
D．功可以全部變成熱量，熱量也可能全部變成功
BD
典例分析
　 (多選)關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī)，下列說法正確的是(　　)
A．沒有冷凝器，只有單一的熱庫，能將從單一熱庫吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機(jī)叫作第二類永動(dòng)機(jī)
B．第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律，所以不可能制成
C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能
D.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化
AD
典例分析
　2.下列說法正確的是(　　)
A．功可以完全轉(zhuǎn)化為熱量，而熱量不可以完全轉(zhuǎn)化為功
B．熱機(jī)必須具有兩個(gè)熱庫，才能實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化
C．熱機(jī)的效率不可能大于1，但可能等于1
D．熱機(jī)的效率必定小于1
D
典例分析
3．(多選)下列說法正確的是(　 　)
A．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成，因?yàn)樗`背了能量守恒定律
B．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，因?yàn)樗`背了能量守恒定律
C．熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是相互獨(dú)立的
D．熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的
ACD
典例分析
熱力學(xué)第二定律
宏觀自然過程的方向性
熱力學(xué)第二定律
熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述
熱力學(xué)第二定律開爾文表述
能源是有限的
第二類永動(dòng)機(jī)
熵和熵增加原理
高溫?zé)釒霻1
低溫?zé)釒霻2
Q1
Q2
做功
制冷機(jī)
W
高溫?zé)釒霻1
低溫?zé)釒霻2
Q1
Q2
對(duì)外做功
熱機(jī)
W
課堂總結(jié)
1．熱力學(xué)第二定律使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程(　　)
A．都具有方向性　　 B．只是部分具有方向性
C．沒有方向性 D．無法確定
解析：一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。
A
課堂練習(xí)
2．(多選)關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列說法正確的是(　 　)
A．熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體
B．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體
C．從單一熱庫吸收熱量，可以使之完全變成功
D．氣體向真空自由膨脹的過程是不可逆過程
ACD
課堂練習(xí)
3．關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列論述正確的是(　　)
A．熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的
B．內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會(huì)產(chǎn)生其他影響，故兩條定律并不矛盾
C．兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì)區(qū)別
D．能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律
B
課堂練習(xí)
4.如圖所示，汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體，汽缸壁是導(dǎo)熱的，汽缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸面是光滑的，但不漏氣。現(xiàn)將活塞與桿連接，使其緩慢地向右移動(dòng)，這樣氣體將等溫膨脹并對(duì)外做功。若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說法正確的是(　　)
課堂練習(xí)
A．氣體是從單一熱庫吸熱，全部用來對(duì)外做功，所以此過程違反了熱力學(xué)第二定律
B．氣體是從單一熱庫吸熱，但并未全部用來對(duì)外做功，所以此過程不違反熱力學(xué)第二定律
C．氣體是從單一熱庫吸熱，全部用來對(duì)外做功，但此過程不違反熱力學(xué)第二定律
D．以上三種說法都不對(duì)
答案：C
課堂練習(xí)
5．某同學(xué)家新買了一臺(tái)雙門電冰箱，冷藏室容積107 L，冷凍室容積118 L，假設(shè)室內(nèi)空氣為理想氣體。
(1)若室內(nèi)空氣摩爾體積為22.5×10-3 m3/mol，阿伏加德羅常數(shù)為6.0×1023mol-1，在家中關(guān)閉冰箱密封門后，電冰箱的冷藏室和冷凍室內(nèi)大約共有多少個(gè)空氣分子？
答案：(1)6.0×1024個(gè)
課堂練習(xí)
(2)若室內(nèi)溫度為27 ℃，大氣壓為1×105 Pa，關(guān)閉冰箱密封門通電工作一段時(shí)間后，冷藏室內(nèi)溫度降為6 ℃，冷凍室溫度降為－9 ℃，此時(shí)冷藏室與冷凍室中空氣的壓強(qiáng)差多大？
答案：(2)5.0×103 Pa
課堂練習(xí)
課堂練習(xí)
課堂練習(xí)
(3)冰箱工作時(shí)把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳到溫度較高的冰箱外部，請(qǐng)分析說明這是否違背熱力學(xué)第二定律。
答案：(3)不違背熱力學(xué)第二定律，因?yàn)闊崃坎皇亲园l(fā)地由低溫物體向高溫物體傳遞的，在冰箱工作過程中要消耗電能。
解析：(3)不違背熱力學(xué)第二定律，因?yàn)闊崃坎皇亲园l(fā)地由低溫物體向高溫物體傳遞的，在冰箱工作過程中要消耗電能。
課堂練習(xí)

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