高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律课文课件ppt

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尝试运用热力学第二定律解决一些实际问题，培养将物理 知识应用于现实生活的能力。
能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以 及方向性问题。
通过自然界中热传导的方向性等实例，初步了解热力学第 二定律，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制 造成功的原因。
热力学第二定律内容的理解及所反映出的热现象的宏观过 程的方向性。
热力学第二定律的实质，定律的两种不同表述。
第二类永动机，以及它不能制成的原因。
热力学第二定律的物理实质。
能量守恒定律的内容是什么？
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种 形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物 体；在转化和转移过程中其总量不变，这就是能量守恒 定律。
大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性？
在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的。 
满足能量守恒的过程是否都能实现呢？
热量自发地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的。 
可能发生这样的逆过程吗？
扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。
功可以自动转化为热，但热却不能自动转化为功。通过摩擦而使功转变为热的过程是不可逆的。
气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。
无数事实告诉我们：凡是实际的过程，只要涉及热现象，如热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动…都有特定方向。
也就是说，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，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学 第二定律。 
一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 
某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借助外力，可以自动进行，这种变化称为自发变化。
自发变化的共同特征—不可逆性任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。
克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。 
电冰箱工作时，热量从低温物体传到高温物体，且其内部温度比外部温度低，它违反热力学第二定律吗？
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。 
①热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向 自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行。
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。
热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。 
热传导的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？
不能。“自发地”是指没有第三者的影响，例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体，但是也产生了影响，即外界做了功。
一个在水平地面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使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。 
热机：是一种把内能转化为机械能的装置。
(汽油机、柴油机、蒸汽轮机、喷气发动机等）
机械能与内能转化的方向性
柴 油 机 四 冲 程
二阶段：推动活塞对外做功 W—（工作物质内能变成机械能）。 
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。
热转换为功的过程也是不可逆的，具有方向性。 
开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
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。
热力学第二定律的另一种表述
例如，利用热机循环，吸热可对外作出功来。但实际热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。 热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。
开尔文表述： 不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
单一热库指温度均匀并且恒定不变的系统。
若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在 不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。 据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
开尔文表述： 不可从能单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响 
或除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。
不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动热传递是不可能的。
适用条件：只能适用于由很大数目分子构成的系统及有限范围内的宏观过 程，而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。 
实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功， 以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不 论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。
热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？
克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自发地从低温物体传到高温物体）。
开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。
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。
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。
根据热力学第二定律，下列说法中正确的是（    ）
A.热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体。 B.热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体。 C.机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能。 D.机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能。  
人们把想象中能够从单一热源吸收热量，全部用来做功而不引起其它变化叫做第二类永动机。
热力学第二定律的另一种表述就是：第二类永动机不可能制成。 
为什么第二类永动机不能制成？
机械能可以全部转化为内能，但内能不能在不引起其他变化的前提下全部转化成机械能。 
机械能和内能的转化过程具有方向性。 
第二类永动机不可能制成！
对比第一类永动机和第二类永动机，你能得到什么启示？
第一类永动机的设想违反了能量守恒定律； 
第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律，但违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律（热力学第二定律）。 
看一种热机设计方案是否可行，不仅要看是否遵守能量守恒定律，还要看是否满足热力学第二定律。
归纳总结本节课学习的热学过程具有方向性的实例？
关于第二类永动机，下列说法正确的是（    ）
A.没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能
D.第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
汽车行驶时，要消耗汽油。尽量详尽地说明：汽油燃烧时释放的化学能通过哪些途径最终转化成了周围环境的内能。
汽油燃烧时释放的化学能推动活塞做功的过程中，主要通过三个途径将化学能转化为内能：一是活塞与缸体间有摩擦，克服摩擦力做功，产生热量，缸体温度升高，内能增加，向周围空间散热。二是活塞压缩缸内气体做功，缸内气体温度升高，带动缸体温度升高，由于与周围环境的热交换转化为环境的内能。三是排气冲程中喷出的热气，会带走一部分热量。
以下哪些现象能够发生、哪些不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？ A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热。 B.蒸汽机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。
A.不可能。因为是“自动”过程，所以茶变热时的内能增量只能来源于周围环境，即周围环境中的热 量会自动地收集到茶中。所以，这是不可能发生的现象。 B.不可能。蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功，即热蒸汽推动活塞做功。这一过程中，一方面由 于活塞摩擦气缸而产生热能，另一方面热蒸汽与周围环境的温度差，蒸汽机会向周围环境散热。所以， 蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能是不可能的。 C.可能。浑水变清，泥沙下沉，重心下降，总的重力势能减少，最终转化为内能。而机械能百分百转 化成内能是可能的。 D.可能。冰箱通电后，消耗电能，将箱内低温物体的热量传到箱外。
小李想估测燃气灶烧水时的效率。他在开水壶里装了体积为 2.5L的水，测得烧水前的水温是15°C，水烧开后便停止加热。 烧水前后燃气表的示数如图所示。为了得出燃气灶烧水的效 率，他还要知道什么数据？请用字母表示相关数据，指出所 用的单位，列出计算效率的表达式。
开尔文表述： 不可能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其 他影响。 
热力学第二定律的其他表述
①第二类永动机不可能制成
②气体向真空的自由膨胀时不可逆的
了解有序和无序是相对的  
知道宏观态与微观态，知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的对应关系 
知道熵的概念，初步了解熵是描述系统无序程度的物理量。了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述 
能用熵增加原理解释生活中的一些现象
了解热力学第二定律的微观意义 . 
了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量
对熵和熵增加原理的解释
热力学第二定律揭示了什么规律？
热力学第二定律揭示了一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统计规律
本节从微观角度说明为什么涉及热运动的宏观过程会有一定的方向性
洗牌后变为无序
规定：奇数牌在先，偶数牌在后
有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：不符合某种确定规则的称为无序。
无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。
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。
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。
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“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的 ；同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。
下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认识第二定律的本质
不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）
一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色分子
开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如图所示：
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。
对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部的过程原则上是可逆的。
对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。
左边一列的各种分布仅指出A、B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，具体指明了这个或那个分子各处于A或B哪一边，代表的是系统的任意一个微观态。
4个分子在容器中的分布对应5种宏观态
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
均匀分布对应的微观态数最多。 全部退回A边仅对应一种微观态。
在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的？
热力学第二定律的统计意义
统计物理基本假定—等几率原理： 对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。
各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。
在气体向真空扩散的例子中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。
所以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。
热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。
①自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。
②一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。
注意：微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。
热力学第二定律的适用范围
①适用于宏观过程，对微观过程不适用
热力学第二定律的微观意义
对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。
在热力学中，序：区分度。
热力学第二定律的微观意义： 一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行
“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。
简单的说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。
在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的
比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。 对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的。 比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。
克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大”。
熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。 从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。
在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。
从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？
因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。 
一个密闭的容器内有稀薄气体，在容器上开一小口，外部的空气就会流入容器，在气体流入过程中，容器内靠近开口处的空气密度暂时变得比内部大，以下说法正确的是（      ）
A.此时容器内气体处于一个不平衡状态，是一个最无序的状态 B.外界的影响破坏了容器内气体的平衡 C.上面事实说明热力学第二定律只适用于封闭系统 D.对一个开放系统并不一定是最无序的分布
一个封闭的方盒内有两个隔板，把方盒隔成了三个小房间，每个小房间内有2个球，球上各有一个字，小房间内球上的字恰好组成如图所示的三个词（从左向右念）。振动方盒，球在小房间内的左右位置可以变换。  
（1）图中6个球同时排列成这三个词的概率是多少？ （2）取去其中一个隔板，振动方盒，6个球能同时排列成这三个词的概率又是多少？ （3）把链各个隔板全部取去，摇动方盒，6个球能同时排列成这三个词的概率又是多少？ （4）在这个封闭的方盒内，取消隔板让小球充分地运动，其无序性是增大了还是减小了？
成语“覆水难收”指的是一盆水泼出后是不可能再回到盆中的。请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度，解释为什么水不会自发地聚到盆中。
“覆水难收”是中国古代的一句成语，字面意思是泼出去的水无法收回，表示事已定居，不可挽回。盛在盆中的水，水分子分布情况受盆的容积、形状的限制，对应的微观态较少；而泼出去的水，水分子的分布受制约较少，对应额微观态较多。根据熵增加原理，自发过程进行的方向总是朝着熵增加，即无序性增大的方向进行，因此泼出去的水（无序性大）不可能自发地回到盆中（无序性小）。