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1、第十章第十章 热力学定律热力学定律10.4 热力学第二定律热力学第二定律 一一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？新课导入想一想想一想：大家大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性?覆水难收覆水难收水往低处流水往低处流 问题
2、：问题：将将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？铁块铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同思考：思考：将将烧红的铁块投入水中，结果会不会铁块烧红的铁块投入水中，结果会不会铁块温度更高温度更高，水的温度更低，水的温度更低？热量会自发地从高温物体传给低温物体,从而使低温物体升温，高温物体温度降低.没有任何外界的影响或帮助没有任何外界的影响或帮助 电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温
3、物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢？律呢？电冰箱电冰箱的工作原理的工作原理 电冰箱消耗电能，对制冷系统做功，致冷系统电冰箱消耗电能，对制冷系统做功，致冷系统不断地把箱内热量传给外界的空气，从而保持冰箱不断地把箱内热量传给外界的空气，从而保持冰箱内部的温度比外部的低内部的温度比外部的低.电冰箱电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？内热量传给外界的空气？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
4、是向相反的方向却不能自发地进行.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.气气气气体体体体扩扩扩扩散散散散具具具具有有有有方方方方向向向向性性性性思考思考 会不会有这样的现象：会不会有这样的现象：均匀混合的空气均匀混合的空气与溴与溴气过一段时间会自发地变的界线分明气过一段时间会自发地变的界线分明？热力学第二定律的克劳修斯表述：热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能热量不能自发自发地从低温物体传到高温物体地从低温物体传到高温物体.一、热力学第二定律的一种表述一、热力学第二定律的一种表述R.Clausius(1822-1888)(1)克劳修斯表述中强调了克劳修斯表述
5、中强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可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能自发地从低温物体传到高温物体.”(2)如果允许如果允许“其它变化其它变化”，例如利用致冷机做功，热量可以从低温物，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体传到高温物体上，而致冷机做功就属于“其它变化其它变化”.(3)如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外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界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源源.按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，按此设想就可制成一种
6、无功致冷机，如图所示，它无需消耗功就能致冷它无需消耗功就能致冷.克劳修斯表述否定了这种克劳修斯表述否定了这种可能性可能性.说明说明：1下列说法中，正确的是下列说法中，正确的是()A一切形式的能量间的相互转化都具有方一切形式的能量间的相互转化都具有方向性向性B热量不可能由低温物体传给高温物体热量不可能由低温物体传给高温物体C气体的扩散过程具有方向性气体的扩散过程具有方向性D一切形式的能量间的相互转化都不具有一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性可逆性热力学第二定律反映的热力学第二定律反映的所有与热现象有关的宏所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性观过程都具有方向性在产生其他影响的情况在产生其他
7、影响的情况下下,热量可以从低温物体热量可以从低温物体传给高温物体传给高温物体.例如冰箱例如冰箱C例题：例题：一一辆汽车在水平地面上滑行，由于克服摩擦力做功，最后要辆汽车在水平地面上滑行，由于克服摩擦力做功，最后要停下来停下来.在在这个过程这个过程中，中，物体的动能转化成为内能，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度使物体和地面的温度升高升高.第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。热机工作的两个阶段：有人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
8、量都吸收过来并对物体做功，将所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部内能全部转化为动能，使因转化为动能，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 降温降温我们我们能不能看到这样的现象：能不能看到这样的现象：一辆汽车靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使汽车运一辆汽车靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使汽车运动起来动起来思考思考：有没有这样的有没有这样的“逆过程逆过程”：从瓶中冲出去的气体又：从瓶中冲出去的气体又自动自动回到瓶回到瓶中，瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的中，瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的
9、压强压强.气气气气体体体体膨膨膨膨胀胀胀胀具具具具有有有有方方方方向向向向性性性性机械能机械能和内能的转化过程具有和内能的转化过程具有方向性方向性自发自发全部全部自发自发全部全部二、热力学第二定律的另一种表述二、热力学第二定律的另一种表述热机效率=W/Q1100%Q1=W+Q2热源热源冷凝器冷凝器热机热机做功做功W 不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响.热力学第二定律的开尔文表述：热力学第二定律的开尔文表述：L.w.T.Kelvins(1821-1907)二、热力学第二定律的另一种表述二、热力学第二定律的另一种表述第二类永
10、动机第二类永动机热源热源热机热机冷凝器冷凝器 不不可可能能从从单单一一热热源源吸吸收收热热量量并并把把它它全全部部用用来来做做功，而不引起其它变化功，而不引起其它变化.热力学第二定律的开尔文表述又可以表述为：热力学第二定律的开尔文表述又可以表述为：第二类永动机是不可能制成的第二类永动机是不可能制成的.1在热力学第二定律的表述中，在热力学第二定律的表述中，“自发地自发地”、“不产生其他影响不产生其他影响”的涵义的涵义(1)“自发地自发地”是指热量从高温物体是指热量从高温物体“自发地自发地”传给低温物体的方向性传给低温物体的方向性.在传在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等递过
11、程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等.(2)“不产生其他影响不产生其他影响”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、做功等如吸热、放热、做功等.说明说明 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,可用反证法证明可用反证法证明,违背开尔文表述一定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 Q1热
12、机从热机从T1吸热吸热A 热机输出功热机输出功Q2热机从热机从T2吸热吸热Q1+Q2致冷机向致冷机向T1放热放热 如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同另一个制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，其冷机组成复合机，如图所示，其总效果总效果相当于一个无功致冷机，于是克相当于一个无功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立劳修斯表述也就不成立.2热力学第二定律两种表述的比较热力学第二定律两种表述的比较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低温热源低温热源 Q2热量通过假想装置自动热量通过假想装置自动地从地从T
13、2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，将它同另一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源热机，即开个热机组成复合机，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尔文表述也不成立.3热力学第二定
14、律的实质热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性有方向性.4与热力学第一定律的关系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
15、向，指出了一切变化过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，又相所以二者相互独立，又相互补充互补充.在在水水平平地地面面上上滚滚动动的的足足球球，摩摩擦擦力力做做负负功功，其其动动能能转转化化为为内内能能，最最终终停停了了下下来来，同同时时产产生生的的热热量量散散失失在在周周围围的的环环境境中中。会会不不会会有有这这样样的的现现象象静静止止在在水水平平地地面面上上的的足足球球和和地地面面、周周围围的的空空气气自自发发地地降降低低温温度度释释放放内内能能，并并将将释释放出的内能全部
16、转化为足球的动能，让足球又滚动起来放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来?机械能与内能转化的具有方向性 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图2根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有 ()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热能，但热能不可能全部转化为机械能机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能D机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，如冰箱和空调吸取热量传到高温物体上去，如冰箱和空调机械能可以全部转化为热能机械能可以全部转化为热能.外界条件发生变化时，热能也可外界条件发生变化时，热能也可以全部转化为机械能；如在等温膨胀
