第三章：第4節熱力學第二定律高中物理選擇性必修第三冊制作：陳慶威目錄CONTENT高中物理選擇性必修第三冊熱力學第二定律能源是有限的熵與熵增加原理總結提升問題？00.高中物理選擇性必修第三冊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？熱現象的方向性01.高中物理選擇性必修第三冊能量守恒定律告訴我們，在自然界發生的一切過程中能量都是守恒的，一個導致能量創生或能量消失的過程是不可能出現的。然而，并不是所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發地進行。無數事實告訴我們，凡是實際的過程，只要涉及熱現象，如物體間的熱傳遞、氣體的膨脹、擴散、有摩擦的機械運動……都有特定的方向性。高中物理選擇性必修第三冊融化的冰糕，是否可以在同溫下是否可以重新凝固？撒了氣的氣球，是否可以自發的把散掉的氣體重新收集起來？熱現象的方向性02.熱力學第二定律03.高中物理選擇性必修第三冊這些過程可以自發地朝某個方向進行，例如，熱由高溫物體傳向低溫物體，而相反的過程，即使不違背能量守恒定律，我們也從未見到它們會自發地進行。這就是說，一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。在物理學中，反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學第二定律（secondlawofthermodynamics）。熱力學第二定律第一部分高中物理選擇性必修第三冊熱力學第二定律的克勞修斯表述：德國物理學家克勞修斯在1850年提出：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。這是熱力學第二定律的克勞修斯表述。熱力學第二定律是用否定語句表述的（絕大多數物理定律都是用肯定語句表述的），它告訴我們什么樣的過程不可能發生。熱力學第二定律01.思考與討論02.高中物理選擇性必修第三冊

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？電冰箱實例03.高中物理選擇性必修第三冊在電冰箱的實例中，熱量的確從低溫物體——冰箱內的食品，傳到了高溫物體——冰箱外的空氣。但是這不是自發的過程，這個過程必須有第三者的介入

：必須開動冰箱的壓縮機。如果不供電，冰箱的壓縮機會停止工作，自發的過程則是熱量從冰箱外的高溫空氣傳向冰箱內的低溫食品。高中物理選擇性必修第三冊熱力學第二定律的開爾文表述：從能量的角度看，熱機的工作分為兩個階段

：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。熱力學第二定律04.開爾文熱機05.高中物理選擇性必修第三冊階段二：工作物質對外做功工作物質的內能→機械能階段一：燃燒燃料燃料的化學能→工作物質的內能

在水平地面上滾動的足球，摩擦力做負功，其動能轉化為內能，最終停了下來，同時產生的熱量散失在周圍的環境中。會不會有這樣的現象：靜止在水平地面上的足球和地面、周圍的空氣自發地降低溫度釋放內能，并將釋放出的內能全部轉化為足球的動能，讓足球又滾動起來？思考與討論06.高中物理選擇性必修第三冊在水平地面上滾動的足球，摩擦力做負功，其動能轉化為內能，最終停了下來，同時產生的熱量散失在周圍的環境中。會不會有這樣的現象：靜止在水平地面上的足球和地面、周圍的空氣自發地降低溫度釋放內能，并將釋放出的內能全部轉化為足球的動能，讓足球又滾動起來？上述現象是不可能發生的。問題的實質仍然是

：機械能可以全部轉化成內能，但這個過程是不可逆的。高中物理選擇性必修第三冊熱力學第二定律的本質07.揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性：一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的。開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。熱傳遞的方向性機械能與內能轉化過程的方向性等價兩定律的對比08.高中物理選擇性必修第三冊

熱力學第一定律熱力學第二定律區別是能量守恒定律在熱力學中的表現，否定了創造能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機是關于在有限空間和時間內，一切和熱現象有關的物理過程、化學過程具有不可逆性的經驗總結，從而否定了第二類永動機聯系兩定律都是熱力學基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現象有關的物理過程所遵循的規律，二者既相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎第二類永動機09.高中物理選擇性必修第三冊如果一臺熱機，效率

，熱機從單一熱源吸取的熱量Q1全部變為功W而不產生其它影響，即Q2＝0。此時，熱機的效率η＝1(100%)，

這類熱機稱為第二類永動機。第二類永動機是不可能制成的能源是有限的第二部分能源是有限的01.高中物理選擇性必修第三冊自然界的一切變化，人類社會的所有活動，都伴隨著能量的轉移和轉化，能量是一切物質運動的源泉，是一切生命活動的基礎。能量在數量上雖然守恒，但其轉移和轉化卻具有方向性。在取暖照明、耕田犁地、車鉆磨鍛、開車駕船……各種各樣的活動中，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，流散到周圍的環境中。高中物理選擇性必修第三冊每天我們使用的能源最后都轉化成了內能，能源消耗使得周圍環境升溫。根據熱力學第二定律，分散在環境中的內能不管數量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能自動聚集起來驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫作“能量耗散”。能源是有限的02.高中物理選擇性必修第三冊周圍環境中的內能很難再利用，而機械能、光能、化學能、電能相對于周圍環境中的內能來說，可利用的品質要高。所謂能源，其實是指具有高品質的容易利用的儲能物質，例如石油、天然氣、煤等。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，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。能源是有限的03.熵與熵增加原理第三部分現象01.高中物理選擇性必修第三冊實驗現象：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。高中物理選擇性必修第三冊微觀解釋：設想開始時有4個氣體分子分布在A中。如果沒有隔板，對于這4個分子中的每一個都有兩種可能性，即它處在A中，或處在B中。4個分子共有24＝16種可能的分布。這16種分布中的每一種是一種微觀態。自由膨脹前，只有一個微觀態，即4個分子都在A中。自由膨脹后，16個微觀態都可能實現。自由膨脹前的宏觀態只包含第一個微觀態，自由膨脹后的宏觀態包含16個微觀態。假定實現每一微觀態的概率是相等的，則自由膨脹后回復到自由膨脹前狀態的概率為1/16。解釋02.高中物理選擇性必修第三冊一般來說，如果A中氣體數量為N個，則自由膨脹后的氣體要回復到自由膨脹前的概率為1/2N。實際上，氣體內的分子數很大，因此自由膨脹的氣體要自發地回復到膨脹前的狀態實際上是不可能的。自然界的很多過程是不可逆的03.高中物理選擇性必修第三冊熵04.相對于膨脹后的狀態，物理學中把氣體膨脹前的狀態稱作有序狀態，而氣體自由膨脹后的狀態變得更混亂與無序，稱作無序狀態。一個系統總是自發地從有序狀態向無序的混亂狀態發展。熵：1850年，克勞修斯首次提出熵的概念，熵可用于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。熵增加原理05.高中物理選擇性必修第三冊熱力學第二定律的微觀解釋：統計規律熵增加原理：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。一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發的宏觀過程總是向無序度更大的方向發展。總結提升第四部分高中物理選擇性必修第三冊課堂小結熱力學第二定律單擊此處添加標題能源是有限的開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。例題1例題精選01.【參考答案】B高中物理選擇性必修第三冊

如圖所示是“風光互補LED太陽能路燈”，太陽能路燈同時利用光能和風能實現照明，它的上端是風力發電，中間是太陽能電池板，下部是照明燈，最下端是蓄電池。下列說法正確的是（）A．夜晚蓄電池放電，將電能轉化為化學能B．風力發電，將機械能轉化為電能C．太陽能電池板將太陽能轉化為光能D．太陽能、風能屬于不可再生能源例題2例題精選02.【參考答案】BD高中物理選擇性必修第三冊

（多選）如圖，用絕熱材料制成的密閉容器被隔板K分成Ⅰ、Ⅱ兩部分，一定量的某理想氣體處于Ⅰ中，Ⅱ內為真空。抽取隔板K，氣體進入Ⅱ中，最終整個容器均勻地分布了這種氣體。則此過程，該氣體系統（）A．對外做功，體積膨脹

B．對外不做功，最終壓強減小C．內能減少，最終溫度降低

D．無序度變大解析例題解析03.高中物理選擇性必修第三冊

例題3例題精選04.【參考答案】C高中物理選擇性必修第三冊

2024年4月30日，神舟十七號航天員湯洪波、唐勝杰、江新林圓滿完成了出艙活動期間的全部既定任務。已知飛船在航天員出艙前要“減壓”，在航天員從太空返回進入飛船時要“升壓”，因此將此設施專門做成了飛船的一個艙，叫“氣閘艙”。氣閘艙的原理如圖所示。座艙A與氣閘艙B間裝有閥門K，A中充滿空氣，B內為真空。航天員由太空返回到B時，將B封閉，打開閥門K，A中的氣體進入B中，最終達到平衡。假設此過程中系統保持溫度不變，艙內氣體可視為理想氣體，不考慮航天員的影響，則此過程中（）A．氣體膨脹做功，內能減小B．氣體向外界放出熱量C．氣體分子對A艙壁的壓強減小D．一段時間后，B內氣體的密度可以自發地恢復到原來真空狀態解析例題解析05.高中物理選擇性必修第三冊

例題4