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3.4 熱力學第二定律
人教版選擇性必修第三冊同步課件
一滴紅色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變紅。從系統的角度來看，擴散之前是一種狀態，擴散后是另一種狀態。
那么，水中擴散后的顏料能否自發地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水
知識點一：熱力學第二定律
一個在水平地面上運動的物體，由于克服摩擦力做功，最后要停下來。在這個過程中，物體的動能轉化成為內能，使物體和地面的溫度升高。
我們能不能看到這樣的現象：一個放在水平地面上的物體，靠降低溫度，可以把內能自發地轉化為動能，使這個物體運動起來。
機械能和內能的轉化過程具有方向性
機械能
機械能
內能
內能
自發
全部
自發
全部
×
思考：滿足能量守恒定律的過程是否都能實現呢
無數事實告訴我們，凡是實際的過程，一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。
物體間的傳熱
氣體的膨脹
擴散現象
有摩擦的機械運動
熱現象
特定的方向
溫度由高到低
體積由小到大
密度由密到疏
由機械能到內能
反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學第二定律。
克勞修斯
1. 熱力學第二定律的克勞修斯表述：
熱量不能自發從低溫物體傳到高溫物體。
（1）物體間傳熱過程的方向性
高溫
低溫
自發
（2）自發性：
不需要第三者介入、也不會對任何第三者產生影響
外界做功
外界環境發生變化
思考與討論：電冰箱通電后箱內溫度低于箱外溫度，并且還會繼續降溫，直至達到設定的溫度。顯然這是熱量從低溫物體傳遞到了高溫物體。這一現象是否違背熱力學第二定律呢
因為電冰箱消耗了電能，對制冷系統做了功，一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內部的熱量傳給外界的空氣了。相反，外界的熱量會自發地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高。
低溫
冰箱內的食品
高溫
冰箱外的空氣
自發
外界做功
向壓縮機供電
停止供電
不違背
2.熱力學第二定律的開爾文表述：
不可能從單一熱庫吸收，使之完全變成功，而不產生其他影響。
（1）不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。
（2）機械能可以全部轉化成內能，但這個過程是不可逆的。
說明：
第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質的內能；
第二個階段是工作物質對外做功，把自己的內能變成機械能。
熱機
3.熱力學第二定律兩種表述的比較
開爾文表述實質說明功變熱過程的不可逆性，克勞修斯表述則說明熱傳導過程的不可逆性，兩種表述是等價的，可用反證法證明。
違背開爾文表述一定違背克勞修斯表述
如果開爾文表述不成立，可制成一個單熱源熱機，將它同另一個制冷機組成復合機，如圖所示，其總效果相當于一個無功致冷機，于是克勞修斯表述也就不成立。
4.熱力學第二定律的實質
熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。
5.與熱力學第一定律的關系
熱力學第一定律是和熱現象有關的物理過程中能量守恒的特殊表達形式，說明功及熱量與內能改變的定量關系，而第二定律指出了能量轉化與守恒能否實現的條件和過程進行的方向，指出了一切變化過程的自然發展方向不可逆，除非靠外界影響。所以二者相互獨立，又相互補充。
3.能源的使用過程中雖然能量的總量保持守恒，但能量的品質下降了。雖然能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。
機械能、電能、光能、聲能、化學能、核能、生物能……最終都轉化成內能，流散到周圍環境中，無法重新自動
聚集起來加以利用的現象。
1.能量耗散：
2.能源：
是指具有高品質的容易利用的儲能物質。
知識點二：能源是有限的
自然界的很多過程是不可逆的
例如，一個容器被隔板均分為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中的氣體就會擴散到B中，最后整個容器的A、B兩部分都均勻地分布了這種氣體。這個過程顯然是不可逆的。
1850年，克勞修斯首次提出熵的概念，熵可用來表達一個系統的無序程度，系統從有序向無序的發展過程中熵在增加。在物理學中，不與外界進行物質和能量交換的系統叫作孤立系統。
在自發過程中，系統總是自發地向無序方向發展，即一個孤立系統的熵值總是不減少的，這就是熵增加原理。
拓展學習
1. 下列宏觀過程不能用熱力學第二定律解釋的是( )
A. 大米和小米混合后小米能自發地填充到大米空隙中而經過一段時間大米、小米不會自動分開
B. 將一滴紅墨水滴入一杯清水中，會均勻擴散到整杯水中，經過一段時間，墨水和清水不會自動分開
C. 冬季的夜晚，放在室外的物體隨氣溫的降低，不會由內能自發地轉化為機械能而動起來
D. 隨著節能減排措施的不斷完善，最終也不會使汽車熱機的效率達到100%
A
2. 對熱力學第一定律和第二定律的理解，下列說法正確的是( )
A. 熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體
B. 外界對物體做功，物體的內能必定增加
C. 內能不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化
D. 機械能不能全部轉化為內能
C
3.在熱學中,下列說法正確的是 (　　)
A.第一類永動機不可制成是由于它違背了能量守恒定律
B.第二類永動機不可制成是由于它違背了能量守恒定律
C.熱力學第二定律告訴我們機械能可以轉化為內能而內能不能轉化為機械能
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
4.關于能量和能源,下列說法正確的是 (　 )
A.在能源利用的過程中,能量在數量上并未減少
B.由于自然界中總的能量守恒,所以不需要節約能源
C.能量耗散說明能量在轉化過程中不斷減少
D.人類在不斷地開發和利用新能源,所以能量可以被創造
A
熱力學第二定律
熱力學第二定律克勞修斯表述
熱力學第二定律開爾文表述
能源是有限的

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