10.4-热力学第二定律概述
10.456热力学第二定律及其微观解释
热力学第二定律的微观意义： 一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性 增大的方向进行。 不可逆过程的本质： 系统从热力学概率小的状态向热力学概率大 的状态进行的过程。 自发过程的规律： 概率小的状态（有序）→概率大的状态（混乱） 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微观态 数少的宏观态向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。
四、熵
1、1877年，玻耳兹曼引入熵，表示系统无序性 的大小 S∝lnΩ ①Ω表示某一宏观态所对应的微观态数目，称为 该宏观态的热力学概率。 ②Ω越大，宏观态出现的概率越大，无序度越大 2、1900年，普朗克引入系数 k —玻耳兹曼常数 S=klnΩ 3、熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立 系统的总熵是不会减少的。 ①孤立系统熵增加过程是系统热力学概率增大的 过程（即无序度增大的过程），是系统从非平衡 态趋于平衡态的过程，是一个不可逆过程。
10.4 热力学第二定律
教学目标
1.了解热传递过程的方向性。 2.知道热力学第二定律的两种不同的表 述，以及这两种表述的物理实质。 3.知道什么是第二类永动机，为什么第 二类永动机不可能制成。
热力学第一定律告诉我们：
在一切热力学过程中能量必须守恒。
问题
满足能量守恒的过程是否都能实现呢？
2、下面关于熵的说法错误的是（ B ） A．熵是物体内分子运动无序程度的量度
B．在孤立系统中，一个自发的过程总是 行
向熵减少的方向进
C．热力学第二定律的微观实质是熵是增 加的，因此热力学第 二定律又叫熵增加原理 D．机械能转化为内能的过程是系统的熵增加的过程
3、从微观角度看（ ） ABE A．热力学第二定律是一个统计规律 B．一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展
高中物理 10.4热力学第二定律的微观解释
高中物理| 10.4热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的本质自然界一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
1.有序和无序有序：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。
有序和无序是相对的。
2.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。
3.热力学第二定律的统计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。
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个涂以不同颜色的气体分子。
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。
隔板抽出后，4个气体分子在容器中可能的分布情形1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为。
此数值极小，意味着此事件永远不会发生。
一般来说，若有N个分子，则共有2N 种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
不可逆过程的本质系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程。
自发过程的规律：概率小的状态（有序）→概率大的状态（混乱）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。
热力学第二定律 概念及公式总结
热力学第二定律一、 自发反应-不可逆性（自发反应乃是热力学的不可逆过程）一个自发反应发生之后，不可能使系统和环境都恢复到原来的状态而不留下任何影响，也就是说自发反应是有方向性的，是不可逆的。
二、 热力学第二定律1. 热力学的两种说法：Clausius:不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化Kelvin ：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化2. 文字表述： 第二类永动机是不可能造成的（单一热源吸热，并将所吸收的热完全转化为功）功 热 【功完全转化为热，热不完全转化为功】（无条件，无痕迹，不引起环境的改变） 可逆性：系统和环境同时复原3. 自发过程：（无需依靠消耗环境的作用就能自动进行的过程）特征：（1）自发过程单方面趋于平衡；（2）均不可逆性；（3）对环境做功，可从自发过程获得可用功三、 卡诺定理（在相同高温热源和低温热源之间工作的热机）ηη≤ηη （不可逆热机的效率小于可逆热机）所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相同，且与工作物质无关四、 熵的概念1. 在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：ηηηη+ηηηη=η 任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关热温商具有状态函数的性质 ：周而复始 数值还原从物理学概念，对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0，则该物理量为状态函数2. 热温商：热量与温度的商3. 熵：热力学状态函数 熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量ηη ：起始的商 ηη ：终态的熵 ηη=(ηηη)η（数值上相等） 4. 熵的性质：（1）熵是状态函数，是体系自身的性质 是系统的状态函数，是容量性质（2）熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和（3）只有可逆过程的热温商之和等于熵变（4）可逆过程热温商不是熵，只是过程中熵函数变化值的度量（5）可用克劳修斯不等式来判别过程的可逆性（6）在绝热过程中，若过程是可逆的，则系统的熵不变（7）在任何一个隔离系统中，若进行了不可逆过程，系统的熵就要增大，所以在隔离系统中，一切能自动进行的过程都引起熵的增大。
热力学第二定律-PPT课件
答案 C
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典例精析 二、热力学第一定律和热力学第二定律
返回
【例3】 关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正 确的是( ) A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，
而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式 的能，故这两条定律是相互矛盾的 B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响， 故两条定律并不矛盾
答案 B
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典例精析 一、热力学第二定律的基本考查 返回
【例2】 如图1中汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是 导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的， 但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并 通过活塞对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则 下列说法正确的是( )
的是( D )
A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并最终达 到绝对零度
B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的 C．第二类永动机遵从能量守恒定律，故能制成 D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105 J，同时空
气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了0.5×105 J
解析 由于汽缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连 接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，所 以汽缸内的气体温度也不变，要保持其内能不变，该过程气体 是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能 保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律．此过程由外 力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可 能发生．
程都具有
，都是不可逆的．
方向性
7
一、热力学第二定律 返回 延伸思考
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”？ 答案 不能．
热力学第二定律文字表述
热力学第二定律文字表述
热力学第二定律是热力学基本定律之一，它描述了自然界中不可逆过程的方向性。
简单来说，第二定律指出在一个孤立系统中，熵的增加是不可逆过程的基本特征。
熵是一个描述系统无序程度的物理量，它代表了系统内部的混乱程度。
根据热力学第二定律，一个孤立系统内的熵总是不断增加的，而不会自发地减少。
这意味着自然界的不可逆过程总是趋向于增加系统的混乱程度，从而导致系统的有序性下降。
热力学第二定律的重要性体现在很多方面。
首先，它为我们解释和理解自然界中的许多现象提供了基础。
例如，热从高温物体传递到低温物体，以至于最终处于热平衡的状态。
这个过程由第二定律确定了能量的流动方向。
其次，热力学第二定律也是工程领域的重要原则。
工程师们利用这个定律设计和改进热机、制冷设备等能源转换系统。
通过最大程度地利用热能，提高能源利用效率，我们能够减少资源的浪费，保护环境。
总之，热力学第二定律为我们揭示了自然界不可逆过程的方向性，为能源转换技术和环境保护提供了指导。
通过深入理解和应用这个定律，我们能够更好地利用能源资源，推动可持续发展。
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热力学第二定律,微观解释
结论：内能不能全部转化为机械能，机械能可以全 部转化为内能
2、开尔文表述： 内能和机械能转化的方向性
不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成 功，而不产生其他影响
3、第二类永动机：从单一热源吸收热量，使之 用来全部用来做功，而不硬气其他变化的热机
第二类永动机不能制成：违背热力学第二定律， 不违背能量守恒定律
热量不能自发地从低温物体传给高温物体。
热量可以从低温物体传给高温 物体吗？
电冰箱通电： 热量从低温物体传给高温物体 电冰箱断电： 热量从低温物体传温物体
高温热库
Q1 制冷机 Q2
w
低温热库
Q2 W Q1
能量守恒
高温热库
Q1 热机 Q2
热机效率：
w
W ≤100% Q1
低温热库
Q1 Q2 W
第一类永动机不能制成：违背能量守恒定律
练一练
4、能量耗散
人类没办法把流散掉的内能重新收集起来加 以利用的现象 能量耗散：能量数量不少，能量品质下降
热力学第一定律
热力学第二定律
热力学第二定律的微观解释
1.有序和无序
2.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。
10.4热力学第二定律
10.5热力学第二定律的微观解释
热力学第二定律 一、结论：
1、一切涉及热现象的宏观自然过程都具有 方向性或都不可逆的 2、虽然一切宏观自然过程都满足能量守恒， 但不是符合能量守恒的过程都能真的发生 二、热力学第二定律
1、意义：反映宏观自然过程方向性的定律
2、克劳修斯表述： 热传导的方向性
大学物理热力学第二定律知识点总结
大学物理热力学第二定律知识点总结热力学第二定律是大学物理热学部分的重要内容，它揭示了热现象过程中的方向性和不可逆性。
理解和掌握热力学第二定律对于深入研究热学以及相关领域具有重要意义。
以下是对热力学第二定律相关知识点的详细总结。
一、热力学第二定律的表述1、克劳修斯表述热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
这意味着热传递的过程具有方向性，如果没有外界的干预，热量只会从高温物体流向低温物体，而不会反向流动。
2、开尔文表述不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。
也就是说，第二类永动机是不可能制成的。
第二类永动机是指一种能够从单一热源吸热，并将其全部转化为功，而不产生其他变化的热机。
二、热力学第二定律的微观解释从微观角度来看，热力学第二定律反映了大量分子热运动的无序性。
在一个孤立系统中，分子的热运动总是从有序趋向无序，这是一个自发的过程。
比如，将不同温度的气体混合在一起，它们会自发地达到温度均匀分布的状态，而不会自动地分离成原来的不同温度区域。
这是因为分子的无规则运动使得它们更容易趋向无序的分布。
三、熵熵是描述系统无序程度的热力学概念。
熵的增加表示系统的无序程度增加。
对于一个绝热过程，系统的熵永不减少。
如果是可逆绝热过程，熵不变；如果是不可逆绝热过程，熵增加。
熵的计算公式为：＄dS ＝＼frac{dQ}｛T}＄，其中＄dQ$ 是微元过程中的吸热量，＄T$ 是热力学温度。
四、卡诺循环与卡诺定理1、卡诺循环卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，是一种理想的热机循环。
通过卡诺循环，可以计算出热机的效率。
卡诺热机的效率为：＄＼eta ＝ 1 ＼frac{T_2}｛T_1}＄，其中＄T_1$ 是高温热源的温度，＄T_2$ 是低温热源的温度。
2、卡诺定理（1）在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关。
（2）在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。
10.4热力学第二定律10.5热力学第二定律的微观解释
3.热力学第二定律使人们认识到，自 然界中进行的涉及___热_____现象的宏 观过程都具有___方__向___性，例如机械 能可以___全__部___转化为内能，但内能 ___不_能___全部转化为机械能，而不引
起其他变化．
10.5 热力学第二定律的微观解释
自然过程总是向着使系统热力学几 率增大的方向进行。
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。
一切自然过程总是沿着无序性增 大的方向进行。
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。
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。
定义热力学几率：与同一宏观态相应 的微观态数称为热力学几率。记为 。
在上例中，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。
课堂小结
1、有序和无序 宏观态和微观态
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序 性增大的方向进行。
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 。
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水 叶片
焦耳实验
例1、根据热力学第二定律，下列判断正确的 是（B、C、D ）
A、电流的能不可能全部变为内能
B、在火力发电机中，燃气的内能不可能全部 变为电能 C、热机中，燃气内能不可能全部变为机械能
D、在热传导中，热量不可能自发地从低温物 体传递给高温度物体。
例2、第二类永动机不可以制成，是因为（ D ） A、 违背了能量的守恒定律
B、热量总是从高温物体传递到低温物体
C、机械能不能全部转变为内能
D、内能不能全部转化为机械能，同时不引 起其他变化
例3、试对热力学第一定律和热力学第二定 律做一简单的评析 热力学第一定律和热力学第二定律是构成 热力学知识的理论基础，前者对自然过程没 有任何限制，只指出在任何热力学过程中能 量不会有任何增加或损失，反映的是物体内 能的变化与热量、做功的定量关系；后者则 是解决哪些过程可以自发地发生，哪些过程 必须借助于外界条件才能进行。
例题分析：
• • • • • [例1]根据热力学第二定律，下列判断正确的是 A. 电流的能不可能全部变为内能 B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能 C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能 D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温 度物体．
• [解析]根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过 程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由电流热效应 中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能．机 械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，在热 传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不 能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项B、C、D正 确．
热学过程的方向性（实例）
1、热传导的方向性 2、扩散现象有方向性
A
B
A
B
“气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不 可逆的”
热学过程的方向性（实例）
1、热传导的方向性 2、扩散现象有方向性 3、能量转化有方向性
· ·
功 热：可自动进行 (如摩擦生热、焦耳实验) 热 功：不可自动进行 (焦耳实验中，不可能水温自动 降低推动叶片而使重物升高)
热传导的过程可以向一个方向自发地进 行（热量从高温物体自发地传给低温物体）； 但向相反的方向不会自发地产生（热量不会 自发地从低温物体传给高温物体），只有在 外界的帮助才能进行。
大气
电冰箱制 冷系统
贮藏的 食品
二、机械能与内能转化的方向性
机械能可以全部转化为内能； 在不引起其他变化的情况下，内能却不 能全部转化成机械能？
1、实例：热量会自发地从高温物体传 给低温度物体。
2、热传导的过程具有方向性 3、自然界中进行的涉及热现象的宏观过 程都具有方向性。
热力学第二定律----表述一
• 热量不能自发地从低温 物体传到高温物体。 （克劳修斯表述）
•[注意]这里所说“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助， 电冰箱工作时能将冰箱内(温度较低)的热量，传给外界空气 (温度较高)，是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功。
高温热源 T1 Q吸
热机
Q放
W
低温热源 T2
二 机械能与内能转化的方向性
①热机：是一种把内能转化成机械能的装置
②原理：燃料燃烧产生热量 Q1（高温热库） 推动活塞对外做功 W 排出废气向外界（低温热库）放热 Q2 ③效率： 由能量守恒定律知道 Q1 = W +Q2
内燃机
高温热库
热机的效率
W Q1
表示机械能和内能的转化过程具有方向性。 尽管机械能可以全部转化为内能，内能却不能 全部转化成机械能，同时不引起其他变化。
3、第一类永动机和第二类永动机 它们都不可能制成， 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过程具有方向 性的自然规律。
三、热机：
把热(内）能转换成机械能的装置
1、热机工作特点
2、工作示意图 •需要一定工作物质。
•需要两个热源。
热机
高温热源 T1 Q吸
W
Q放
低温热源 T2
3、热机的效率
(1)、热机做的功W和它从 热源吸收的热量Q吸的比值叫 做热机的效率
W Q吸
总有：W Q吸
(2)、热机的效率不可能达 到100％
第十章 热力学定律
热力学第二定律
任何物体都具有内能，在地球上贮存量 十分丰富的海水总质量约达1.4×1018吨， 它的温度只要降低0.1℃，就能释放相当于 1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的 发电量，而人类都不能利用这种“新能源”， 究其原因，是因为涉及物理学的一个基本定 律。
一、热传导的方向性
例2.如图所示文艺复兴时期意大利的达〃芬奇造 了一个永动机装置。他设计时认为，右边的重球 比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作 用下会使轮子沿箭头方向转动不息 ( AC ) A．这是第一类永动机 B．这是第二类永动机 C．它不可能成功，因为违反能的转化及守恒定 律 D．它不可能成功，因为违反热力学第二定律
Q1
热机
W
对外做功
热机的效率小于100%，就不可能把从 Q2 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中。 低温热库
热力学第二定律----表述二
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。 （开尔文表述） 热源
热机
冷凝器
四、第二类永动机
1 、第二类永动机：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 引起其他变化的热机叫做第二类永动机 2、第二类永动机不可能制成
热力学第二定律揭示了有大量分子参与 的宏观过程的方向性。（自然界中进行 的涉及热现象的宏观过程都具有方向 性）。
•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。
违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以 发生。 自然过程是按一定方向进行的。
五、热力学第二定律
1、热力学第二定律常见的两种表述：
（1）按热传递的方向性来表述：不可能使 热量从低温物体传到高温物体，而不引起其 他变化。 （2）按机械能与内能转化过程的方向性来 表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全 部用来做功，而不引起其他变化。
2、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 3、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。