热力学第二定律

热力学第二定律编稿：张金虎审稿：李勇康【学习目标】1．了解热传导过程的方向性；2．了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成；3．了解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；4．利用热力学第二定律分析解决实际问题，作出正确判断．5．知道什么是有序和无序，什么是宏观态和微观态；6．知道热力学第二定律的微观解释，而一切自然过程总是沿分子热运动的无序性增大的方向进行的；7．知道熵的概念，熵的增加原理．8．了解什么是能源、常规能源、常规能源的储量与人类需求的矛盾；9．了解常见能源的使用与环境污染的关系：10．了解哪些能源是清洁能源，哪些能源是可再生能源；11．理解能量守恒和节约能源的关系；12．了解开发新能源的意义．【要点梳理】要点一、热力学第二定律1．热传导的方向性（自然过程的方向性）两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高．（1）热传导具有方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．（2）气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体．（3）机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．（4）气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空．（5）在整个自然界中，无论有生命的还是无生命的．所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程．如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，房屋衰朽倒塌，人的一生从婴儿到老年到死亡等．2．热机（1）热机：热机是把内能转化成机械能的一种装置．如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能．（2）热机的组成部分①热源：指燃烧燃料而获得能量的部件．②工作物质：指利用获得的热量来做功的物质，如蒸汽机里的蒸汽，内燃机里燃烧后的高温气体．③冷凝器：把做功后工作物质所剩余的热量进行再吸收的部分．如推动活塞做功后放出的蒸汽的温度也很高，如果把这种蒸汽直接放入大气中，则大气就是冷凝器．当然这样就白白浪费了剩余的蒸汽所具有的能量，通常把这种工作后剩余的蒸汽通过管道送入居民区用于烧水、做饭、取暖等．（3）热机的工作原理工作物质从热源吸收热量1Q ，推动活塞做功彤，然后排出废气，同时把热量2Q 散发到冷凝器中． 根据能量守恒有12Q W Q =+．（4）热机的效率把热机做的功W 与它从热源中吸收的热量1Q 的比值叫做热机的效率，用η表示，有1W Q η=． 因为 12Q W Q =+，所以1Q W ＞，1η＜．这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器中．3．第二类永动机（1）定义从单一热源吸热全部用来做功，而不引起其他变化．把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达100％．这种想象中的热机称为第二类永动机．只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机．（2）第二类永动机不可能制成虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，大量的事实证明．在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热源．很显然，如果第二类永动机能制成，那么就可以利用空气或海洋作为热源，从它们那里不断吸取热量而做功，这是最经济不过的，因为海洋的内能实际上是取之不尽的．4．热力学第二定律（1）两种表述①不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化．这是按照热传导的方向性来表述的．②不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功．而不引起其他变化也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的．这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的．（2）两种表述是等效的热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联系，然而实际上它们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个．（3）热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，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有方向性．5．热力学第一定律和热力学第二定律的区别（1）热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系U W Q ∆=+，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化．热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性．告诫人们：第一类永动机不可能制成．热力学第一定律只有一种表述形式．（2）热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性．如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，而不引起其他变化，进一步揭示了各种物质过程及其运动形式的转化过程都具有方向性告诫人们：第二类永动机不可能制成．热力学第二定律有多种表述形式．要点二、热力学第二定律的微观解释1．有序和无序确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序的． 特别提示：无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相反，有序与无序是相对的，一副扑克牌，指定按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序排列，但对号码的大小不作要求，这样的排列对于完全杂乱的一副牌来说是有序的，但对于不仅有花样方面的要求，而且对号码顺序也有要求的排列来说，就是无序的了．2．宏观态和微观态规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包舍一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的微观态的个数不同．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较墨，就说这个“宏观态”是比较无序的．我们以气体向真空的扩散为例来认识宏观态和微观态．一个箱子被挡板分为左、右两室，左室为气体，右室为真空，撤去挡板后气体要由左向右扩散．我们从分子热运动的角度分析这个过程的方向性．为了简单，假定气体只由A B C D 、、、共4个分子组成．如图所示，甲、乙、丙、丁是4个不同的微观态，但甲、乙属于同一个宏观态，丙、丁属于另一个宏观态．撤去挡板后每个分子都可以处于箱中任何位置，就像队列解散后的学生一样．如果细致地区分哪个分子在哪侧，这样的一个一个的状态就是不同的微观态．例如，“A B 、在左室，C D 、在右室”与“A C 、在左室，B D 、在右室”就是两个不同的微观态．当然“A 在左室，B C D 、、在右室”也是与前两个不同的微观态．但是，宏观的观察并不能区分图甲和乙的两个微观态，我们只能说两种情况下左右两室中分子数的多少是一样的，因此，我们说甲和乙属于同一个宏观态：而丙和丁，尽管从微观上看具体分子的位置并不一样，是不同的微观态，但它们也属于同一个宏观态，都是“左1右3”．3．热力学第二定律的微观解释和意义（1）热力学第二定律的微观解释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．与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的．由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少．（2）对热力学第二定律微观意义的理解系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化．从微观看，在功转化为热的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程，但其逆过程却不能自发地进行．即不可能由大量分子无规则的热运动自发转变为有序运动．从微观看，热传递的过程中，自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，其逆过程不能自发进行．大量分子无序运动状态变化的方向总是向无序性增大的方向进行．即一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义．4．熵（1）熵的概念在物理学中，用来量度系统无序程度的物理量叫做熵．在物理学中，为了描述一个系统的无序程度，引入一个物理量，叫做熵．物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有：lnΩS k式中k叫做玻耳兹曼常数．要点诠释：既然微观态的数目Ω是分子运动无序性的一种量度，由于Ω越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动无序性的量度．（2）熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行，这就是熵增加原理．5．热传递的方向性两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，直到两者温度相等；一个温度处处相等的物体，不可能自发地变得一部分温度高、另一部分温度低．6．熵与能量退降（1）能量退降在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使能量逐渐丧失做功的本领，从可利用状态转化为不可利用状态，能量品质退化了，这种现象称为能量退降．能量的可利用程度降低的现象称为能量降退．（2）对能量的耗散与退化的理解①在利用能源的实际过程中，由于摩擦、体积形变、系统向外界放出热量等因素，会有部分能量最终以热的形式转移出去．由于宏观过程的不可逆性，导致这些能量无法重新收集而加以利用，从而造成能量的永久性损失，这就是能量耗散．可见，能量耗散与能量转化的宏观过程具有方向性、不可逆性的必然结果．②能量耗散过程中，包括环境在内的整个系统总能量仍是守恒的，但可利用的能量在减少。

造成能量的“贬值”．任何利用能源的过程都必然导致这种能量“贬值”，即退化．因此我们要节约能源．要点三、能源和可持续发展1．能量耗散和品质降低（1）能量耗散集中度较高且有序度较高的能量（如机械能、电能、化学能等），当它们变为环境的内能后，就成为更加分散因而也是无序度更大的能量，我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用，这样的转化过程叫做能量耗散．（2）能量品质降低各种形式的能量向内能的转化，是微观领域内无序程度较小向无序程度较大的转化，是能够自动发生、全额发生的．而内能向机械能的转化过程，由热力学第二定律知道，这种转化是有条件的，即环境中必须存在着温度差。

而且内能不能全额转化为机械能．因此，从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量．2．能源与人类社会发展（1）能源①定义：能够提供可利用能量的物质．②常规能源：煤、石油、天然气．③能源的供需现状：石油将在几十年内采完，煤也将在二百多年内采完，故需加强新能源的开发和利用，如水能、风能等．④能源的分类：a．不可再生能源：如前面提到的煤、石油、天然气等常规能源；b．可再生能源：如风能、水能等．（2）能源与人类社会发展能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，是国民经济运行的物质基础．它与材料、信息构成现代社会的三大支柱．能源科技的每一次突破，都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步．3．能源与环境（1）常规能源对环境的影响①石油和煤炭燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此加剧了温室效应，引发了一系列问题，如两极的冰雪融化、海平面上升、海水倒灌、耕地盐碱化等，这些都是自然对人类的报复．②排入大气中的污染物在太阳紫外线照射下发生光化学效应，形成一种毒性很大的二次污染物“光化学烟雾”．如：氮氧化物和碳氧化物在大气中受到阳光中强烈的紫外线照射会生成臭氧．还有一些问题，如煤燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水形成“酸雨”，机器在工作时会导致有毒气体的产生等．（2）常规能源对环境的影响——温室效应与酸雨①温室效应成因：温室效应是人类过多地排放二氧化碳，干扰了地球的热量平衡造成的．危苫：温室效应会导致全球变暖，海平面上升，气候变化，疾病增多等．改善措施：调整能源结构，控制二氧化碳的过量排放．具体实施时可以从以下两方面进行：一是提高能源利用率，如改进设备、技术，建立节约能源的消费观等；二是开发新能源，如多使用核能、水能、太阳能、风能等．②酸雨大气中酸性污染物质，如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨．煤炭中含有较多的硫，燃烧时产生二氧化硫等物质．危害：酸雨影响人的健康，危害生态系统，使土壤酸化和贫瘠，腐蚀建筑和艺术品等．SO的排放．c．通防治：a．健全法规，强化管理，控制排放．b．发展清洁煤技术，减少燃烧过程2过改造发动机，安装汽车尾气净化气，用无铅汽油代替合铅汽油等手段，控制汽车尾气的排放．4．开发新能源太阳能是最具发展前景的新能源，它清洁无污染，是一种清洁能源．其他新能源，如生物质能、风能、水能等具有相当大的发展前景．下面是几种常见能源的开发方法及存在的问题：（1）太阳能：有直接加热物体的太阳能热水器、太阳灶，有利用半导体材料把太阳能转化为电能的太阳电池等，主要问题是只能白天工作，还要受天气影响，会妨碍大规模使用太阳能，要研究储存太阳能的方法．（2）水能：水能有巨大的开发潜力，可开发梯级电站．（3）核能：是一个巨大的能源，通过核反应堆进行核发电主要应注意核泄漏、控制核污染等．（4）风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”．我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电．【典型例题】类型一、热力学第二定律例1．关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是（）．A．将地球上所有海水的温度降低0.2℃，以放出大量的内能供人类使用B．布朗运动是液体分子的运动，它说明液体分子在永不停息地做无规则的运动C．在热传递中，热量一定是从内能多的物体传向内能少的物体D．在热传递中，热量一定是从温度高的物体流向温度低的物体【答案】D【解析】自然界一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A错；布朗运动不是液体分子的运动，而是固体颗粒的运动．B错；内能多不一定温度高，C错；故只有选项D正确．举一反三:【变式】下列说法正确的是（）．A．热量能自发地从高温物体传给低温物体B．热量不能从低温物体传到高温物体C．热传导是有方向性的D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的【答案】A、C、D【解析】如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体。