普通高中物理选择性必修三 第三章第4节 热力学第二定律

这是一篇关于“热力学第二定律“的思维导图，主要内容包括：热力学第二定律、能量是有限的。作为备课参考。

• 普通高中物理选择性必修三 第三章第4节 热力学第二定律
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。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？
• 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
  • 在自然界中发生的一切过程中能量都是守恒的，然而，并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行。
  • 实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。
    • 热现象
      • 物体间的热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动¼
    • 方向性
      • 涉及热现象的过程可以自发地朝某个方向进行。
      • 例如
        • 热由高温物体传向低温物体，而相反的过程，我们从未见到它们会自发地进行。
  • 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。
• 热力学 第二定律
  • 克劳修斯表述
    • 德国物理学家克劳修斯在1850年提出。
    • 表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
      • “自发”指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传向另一个物体。
      • 当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。
    • 电冰箱实例
      • 热量的确从低温物体（冰箱内的食品）传到了高温物体（冰箱外的空气）。
        • 这不是自发的过程
        • 这个过程必须有第三者的介入：必须开动冰箱的压缩机。
        • 如果不供电，冰箱的压缩机会停止工作，自发的过程则是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品。
    • 克劳修斯表述阐述了热传递的方向性。
  • 开尔文表述
    • 开尔文在分析了热机及其他涉及做功的热学过程后，1851年提出了热力学第二定律的另一种表述。
      • 热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分能量要排放给低温热库（冷凝器或大气）
      • 热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量。
      • 热机工作时通常会产生漏气热损、散热热损和摩擦热损等热量损失。
    • 表述：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。
      • “不可能从单一热库吸收热量”意思是：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。
      • 机械能与内能转化的方向性：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。
    • 实例
      • 两个相互接触并做相对运动的物体，由于摩擦而静止下来，它们在这个过程中消耗的机械能可以全部转化为内能；但相反的过程不可能自发进行而不产生其他影响。
    • 开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。
  • 热力学第二定律是用否定语句表述的（绝大多数物理定律都是用肯定语句表述的），它告诉我们什么样的过程不可能发生。
• 思考与讨论 在水平地面上滚动的足球，摩擦力做负功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时产生的热量散失在周围的环境中。会不会有这样的现象：静止在水平地面上的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来？
  • 这种现象是不可能发生的，问题的实质是：机械能可以全部转化为内能，但这个过程是不可逆的。
• 能源是有限的
  • 能量是基础
    • 自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。
  • 转移和转化的方向性
    • 能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
    • 在各种各样活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能¼¼最终都转化成内能，散到周围的环境中。
  • 能量耗散
    • 根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变䁔一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
  • 能源
    • 所谓能源，其实是指具有高品质的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等。
    • 周围环境中的内能很难再利用，而机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。
    • 能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。
    • 虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
• 拓展学习 熵与熵增加原理
• 自然界的很多 过程是不可逆的
  • 例如
    • 一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空，抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。
• 不可逆现象的 微观解释
  • 设想
    • 设想开始时有4个气体分子分布在A中，如果没有隔板，对于这4个分子中的每一个都有两种可能性，4个分子共有2Ù4=16种可能的分布。
  • 分析
    • 16种分布中每一种都是一种微观态。在自由膨胀前的宏观态只包含一个微观态，自由膨胀后的宏观态包含16个微观态。
    • 假定实现每一微观态的概率是相等的，则自由膨胀后回复到自由膨胀前状态的概率为1/16。
    • 若A中气体分子为N个，则自由膨胀后的气体要回复到自由膨胀前的概率为
      • 实际上，气体内的分子数很大，因此自由膨胀的气体要自发地回复到膨胀前的状态实际上是不可能的。
• 有序和无序
  • 含义
    • 只要确定了某种规则，符合这个规则的就是有序的。如果对个体的分布没有确定的要求，这样的分布就是无序的。
  • 实例
    • 一副扑克牌，按黑桃、红桃、梅花、方块的顺序，而且从小到大排列，这是有序的；洗牌之后，怎样分布都可以，这就是无序的。
  • 有序与无序是相对的
  • 气体膨胀
    • 气体膨胀前的状态叫作有序状态，而自由膨胀后的状态变得更混乱与无序，是无序状态。
    • 混乱状态出现的概率要远大于整齐排列状态出现的概率。
    • 一个系统总是自发地从有序状态向无序的混乱状态发展。
• 熵和熵增原理
  • 熵
    • 1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度。
    • 系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。
  • 熵增原理
    • 在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫做孤立系统。
    • 在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。
    • 从微观角度看，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度更大的方向发展。
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