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《热力学第二定律》教学设计方案（第一课时）一、教学目标1. 理解热力学第二定律的基本观点和原理。
2. 掌握热力学第二定律的几种表述方式。
3. 能够运用热力学第二定律诠释生活中的现象。
二、教学重难点1. 重点：理解热力学第二定律的基本观点和原理。
2. 难点：运用热力学第二定律诠释生活中的现象。
三、教学准备1. 准备教学PPT，包含图片、视频、案例等教学资源。
2. 准备相关实验器械，进行实验演示。
3. 准备习题集，供学生练习。
4. 了解学生已掌握的物理学基础知识。
四、教学过程：本节课的教学目标是让学生理解热力学第二定律的内容和意义，掌握熵的观点和基本定律，能够运用熵的观点分析实际问题。
1. 引入课题：通过一些平时生活中的现象，如空调制冷、热机的工作等，引出热力学第二定律的内容和意义，激发学生的兴趣和好奇心。
2. 讲解热力学第二定律的内容和意义：通过PPT和视频等形式，详细讲解热力学第二定律的内容和意义，包括方向性、不可逆性、熵增加原理等。
3. 讲解熵的观点：通过PPT和图片等形式，介绍熵的观点和定义，包括熵的定义、熵的物理意义等。
同时，可以通过一些简单的实验和例子，帮助学生理解熵的观点。
4. 熵的基本定律：通过PPT和视频等形式，介绍熵的基本定律和性质，包括熵增原理、熵平衡方程等。
同时，可以通过一些实际问题，引导学生运用熵的基本定律进行分析。
5. 实例分析：通过一些实际例子，如空调制冷、热机的工作等，引导学生运用熵的观点和基本定律进行分析，加深学生对热力学第二定律的理解和应用。
6. 教室讨论：让学生分组讨论一些与热力学第二定律相关的问题，如能源利用、环境珍爱等，鼓励学生积极思考，发表自己的看法和建议。
7. 总结回顾：对本节课所学的知识进行总结回顾，强调热力学第二定律的重要性和应用，鼓励学生将所学知识应用到实际生活中去。
8. 安置作业：让学生回家复习本节课所学的知识，并完成一些与热力学第二定律相关的作业，稳固所学知识。
《热力学第二定律》讲义一、热力学第二定律的引入在我们生活的这个世界中，热现象无处不在。
从烧开水到汽车发动机的运转，从空调制冷到太阳能的利用，热的传递和转化始终伴随着我们。
而热力学第二定律，就是用来描述热现象中能量转化和传递的方向性规律。
想象一下，如果热能够自发地从低温物体传递到高温物体，那我们的世界将会变得多么奇妙。
冬天的时候，我们不需要取暖设备，房间里的温度会自动升高；冰箱也不再需要耗电来制冷，食物会自动保持低温。
但这样的情景在现实中从未发生，这背后隐藏着热力学第二定律的奥秘。
二、热力学第二定律的表述热力学第二定律有多种表述方式，其中最为常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
举个例子，一杯热水放在室温下会逐渐冷却，热量从热水传递到了周围的环境中。
但如果没有外界的干预，比如使用冰箱或其他制冷设备，热量不会自动从周围环境返回热水，使热水重新变热。
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。
比如说，一个热机从高温热源吸收热量，然后对外做功。
但在这个过程中，它不可避免地会向低温热源排放一些热量，无法将从高温热源吸收的全部热量都转化为有用功。
这两种表述虽然形式不同，但本质上是等价的，都揭示了热现象中能量转化和传递的不可逆性。
三、热力学第二定律的微观解释从微观角度来看，热力学第二定律与系统的微观状态数有关。
在一个孤立系统中，分子的运动是无序的。
随着时间的推移，系统总是趋向于从微观状态数少的状态向微观状态数多的状态演变。
例如，将两种不同的气体放在一个容器中，它们会逐渐混合均匀。
而要使混合后的气体重新分离成原来的两种纯净气体，几乎是不可能的。
这是因为混合后的微观状态数远远大于分离状态的微观状态数。
从概率的角度来说，系统向微观状态数多的方向发展的概率要大得多，这就导致了热现象中自发过程的方向性。
四、热力学第二定律的应用热力学第二定律在许多领域都有着重要的应用。
第三章 热力学第二定律§3.1 热力学第二定律1.自发过程自发过程：在自然条件下，能够发生的过程，称为自发过程。
自发过程的逆过程称为非自发过程。
所谓自然条件，是指不需要人为加入功的过程。
例如：(1) 热量从高温物体传入低温物体； (2)气体向真空膨胀；(3)锌片与硫酸铜的置换反应等，。
说明：自发过程是热力学中的不可逆过程，这是自发过程长的共同特征。
自发过程的逆过程都不能自动进行，自发过程的逆向必须消耗功。
2.热、功转换任何热机从高温1T 热源吸热1Q ,一部分转化为功W ,另一部分2Q 传给低温2T 热源。
将热机所作的功与所吸的热之比值称为热机效率,或称为热机转换系数，用η表示。
恒小于1。
即1W Q η-=若热机不向低温热源散热，20Q =，此时热机效率可达到100%，将所吸收的热全部变为功，实践证明这样的机器永远造不成。
人们将这种从单一热源吸热全部用来对外作功的机器，称为第二永动机。
2.热力学第二定律克劳修斯（Clausius ）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。
”开尔文（Kelvin ）的说法：“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。
”克劳修斯和开尔文的说法都是指某一件事情是“不可能”的，即指出某种自发过程的逆过程是不能自动进行的。
克劳修斯的说法是指明热传导的不可逆性，开尔文的说法是指明功转变为热的过程的不可逆性，这两种说法实际上是等效的。
热力学第二定律和热力第一定律一样，是建立在无数事实的基础上，是人类经验的总结。
它不能从其它更普遍的定律推导出来。
§3.2 卡诺循环与卡诺定理1.卡诺循环（Carnot cycle ）卡诺循环：由恒温可逆膨胀、绝热可逆膨胀、恒温可逆压缩、绝热可逆压缩四个可逆步骤组成的循环过程。
以理想气体为工作物质，从高温T 1热源吸收Q 1的热量，一部分通过理想热机用来对外做功W ，另一部分的热量Q 2放给低温T 2热源。
物理化学The Second Law of Thermodynamics 版权所有：武汉科技大学化学工程与技术学院Copyright © 2015 WUST. All rights reserved.•掌握热机效率的表达、卡诺循环及其重要结论；•掌握热力学第二定律以及由第二定律导出卡诺定理的方法，卡诺定理的推论；•掌握克劳修斯等式和状态函数-熵，克劳修斯不等式和熵增原理，熵判据；•掌握系统熵变（简单pVT变化、相变过程、化学变化）及环境熵变的计算；•掌握热力学第三定律的普朗克表述及熵的物理意义，理解规定摩尔熵、标准摩尔熵、标准摩尔反应熵及能斯特热定理。
•掌握亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能定义、亥姆霍兹自由能判据、吉布斯自由能判据，理解亥姆霍兹自由能变和吉布斯自由能变的物理意义及计算，理解可逆与平衡、不可逆与自发的关系；•理解热力学基本方程和热力学关系式（麦克斯韦关系、对应系数关系，其它重要关系）；•掌握热力学第二定律应用实例——克拉佩龙方程、克劳修斯-克拉佩龙方程。
本章主要内容§3.1 卡诺循环§3.2 热力学第二定律§3.3 熵增原理§3.4 单纯pVT变化熵变的计算§3.5 相变过程熵变的计算§3.6 热力学第三定律和化学变化过程熵变计算§3.7 亥姆霍兹函数和吉布斯函数§3.8 热力学基本方程§3.9 克拉佩龙方程§3.10 吉布斯-亥姆霍兹方程和麦克斯韦关系式§3.1 热力学第二定律•自发过程举例•自发过程逆向进行必须消耗功•自发过程的共同特征•热力学第二定律出现问题1.符号：宏观量与微观量2.单位：3.公式4.解题过程：d d δ δU H W Q U H W Q ∆∆d d W Q W Q U H∆∆不带单位计算；单位混用；简写Rδd amb W p V =- () =W pV W pV W pV H U W==-=∆∆∆-缺少必要说明、过程错结果正确amb d W p V=-,m 21amb 21()()V nC T T p V V -=--222p V nRT =由于绝热Q = 0，故∆U =W)1(22)1(11γγγγ--=p T p T W = ∆U = n C V , m (T 2-T 1)2211d d V V amb V V nRT W p V V V=-=-⎰⎰W = －p amb ∆V(1)(2)(3)(4)1. 自发过程举例自发变化某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借助外力，可以自动进行，这种变化称为自发变化。
第03章热力学第二定律第3章 热力学第二定律练 习1、发过程一定是不可逆的。
而不可逆过程一定是自发的。
上述说法都对吗？为什么？答案：（第一句对，第二句错，因为不可逆过程可以是非自发的，如自发过程的逆过程。
）2、什么是可逆过程？自然界是否存在真正意义上的可逆过程？有人说，在昼夜温差较大的我国北方冬季，白天缸里的冰融化成水，而夜里同样缸里的水又凝固成冰。
因此，这是一个可逆过程。
你认为这种说法对吗？为什么? 答案：（条件不同了）3、若有人想制造一种使用于轮船上的机器，它只是从海水中吸热而全部转变为功。
你认为这种机器能造成吗？为什么？这种设想违反热力学第一定律吗？ 答案：（这相当于第二类永动机器，所以不能造成，但它不违反热力学第一定律)4、一工作于两个固定温度热源间的可逆热机，当其用理想气体作工作介质时热机效率为 η1，而用实际气体作工作介质时热机效率为 η2，则 A ．η1>η2 B ．η1<η2 C.η1=η2 D.η1≥η2 答案：（C ）5、同样始终态的可逆和不可逆过程，热温商值是否相等？体系熵变 ΔS 体 又如何？答案：（不同，但 ΔS 体 相同，因为 S 是状态函数，其改变量只与始、终态有关）6、下列说法对吗？为什么？(1)为了计算不可逆过程的熵变，可以在始末态之间设计一条可逆途径来计算。
但绝热过程例外。
(2)绝热可逆过程 ΔS =0，因此，熵达最大值。
(3)体系经历一循环过程后，ΔS =0 ，因此，该循环一定是可逆循环。
(4)过冷水凝结成冰是一自发过程，因此，ΔS >0 。
(5)孤立系统达平衡态的标态是熵不再增加。
答案：〔(1) 对，(2) 不对，只有孤立体系达平衡时，熵最大，(3)不对，对任何循环过程，ΔS ＝0 不是是否可逆，(4) 应是 ΔS 总＞0，水→冰是放热，ΔS ＜0，ΔS ＞0，(5) 对〕7、1mol H 2O(l )在 373.15K 、下向真空蒸发变成 373.15K 、的 H 2O(g )，试计算此过程的 ΔS 总，并判断过程的方向。
答案：(ΔS 总=8.314J ·K -1·mol -1>0)8、试证明两块重量相同、温度不同的同种铁片相接触时，热的传递是不可逆过程。
答案：（ΔS (体系)＝19.71J ·K -1，ΔS (孤立)＝19.71J ·K -1，ΔS (环境)＝0）9、1mol 273.15K 、101.325kPa 的 O 2(g ) 与 3mol 373.15K 、101.325kPa 的 N 2 在绝热条件下混合，终态压力为 101.325kPa ，若 O 2(g ) 和 N 2(g ) 均可视为理想气体，试计算孤立体系的熵变。
答案：()10、今有两个用绝热外套围着的容器，压力均为。
在一个容器中有 0.5mol液态苯与 0.5mol 固态苯成平衡；在另一容器中有 0.8mol 冰与 0.2mol 水成平衡。
求两容器互相接触达平衡后的 ΔS 。
已知苯的正常熔点为 5℃，固态苯的热容为 122.59J ·K -1·mol -1，苯的熔化热为 9916J ·mol -1，冰的熔化热为 6004J ·mol-1。
答案：(0.327J ·K -1)11、已知 -5℃ 固态苯的饱和蒸气压为 2.28kPa ，1mol 、-5℃ 过冷液体苯在 p =101.325kPa 下凝固时，ΔS m =-35.46J ·K -1·mol -1，放热 9860J ·mol -1。
求 -5℃ 时液态苯的饱和蒸气压。
设苯蒸气为理想气体。
答案：（2.67kPa ）12、4mol 某理想气体，其 C v,m =2.5R ，由始态 600K 、1000kPa 依次经历下列过程：(1)绝热、反抗 600kPa 恒定的环境的压力，膨胀至平衡态； (2)再恒容加热至 800kPa ；(3)最后绝热可逆膨胀至 500kPa 的末态。
试求整个过程的 Q 、W 、ΔU 、ΔH 及ΔS 。
答案：（）13、试根据熵的统计意义定性地判断下列过程中体系的熵变大于零还是小于零？(1)水蒸气冷凝成水；(2)CaCO 3(s)→CaO(s)＋CO 2(g) (3)乙烯聚合成聚乙烯； (4)气体在催化剂表面吸附。
答案：〔(1) ΔS ＜0，(2) ΔS ＞0，(3) ΔS ＜0，(4) ΔS ＜0〕14、由量热法测得氮的有关数据如下，试确定氮在沸点下的规定熵：T t 、Tf、Tb分别为转化点、凝固点和沸点，ΔtHm、ΔfHm和ΔrHm分别为摩尔转化热、摩尔熔解热和摩尔气化热。
答案：(168.5J·K-1·mol-1)15、下列说法对吗？为什么？(1)吉布斯函数 G 减小的过程一定是自发过程。
(2)在等温、等容、无其它功条件下，化学变化朝着亥姆霍兹函数 A 减少的方向进行。
(3)根据dG =-SdT＋Vdp，对任意等温、等压过程ΔG =0。
(4)只有等温等压条件下才有吉布斯函数 G 的变化值。
答案：〔(1) 必须在恒温、恒压条件下。
(2) 对，(3) 对，(4) 不对，G是状态函数，当状态一定，G便有确定值。
〕16、1mol H2O(l) 在 100℃、下向真空蒸发成 100℃、下的水气，此过程是否为等温等压过程？能否用ΔG来判断过程方向？若不能，应用什么物理量来判断？该过程的ΔG为多少？答案：（不是，不能，ΔS或ΔA,ΔG =0）17、试判断下列过程的ΔS、ΔA、ΔG是大于零、小于零、等于零，还是无法确定？(1)理想气体绝热恒外压膨胀至平衡。
(2)非理想气体的节流膨胀。
(3)100℃、下，水变为水蒸气。
(4)非理想气体的卡诺循环。
答案：（(1) ΔS＞0、ΔG＜0、ΔA＜0，(2) 无法定，(3) ΔS＞0、ΔG＝0、ΔA ＜0，(4) 均为零）18、试证若定义等温压缩系数试证：解19、已知状态方程pVm＝RT＋βp，式中β与温度有关，试证明：并再写出的表达式。
20、计算 1mol O2(g) 在 100℃、10×下按下述方式膨胀至压力为而体积为V2时的V2、T2、Q、W、ΔU、ΔH、ΔS、ΔA、ΔG(1)恒外压下的等温膨胀过程；(2)可逆等温过程；(3)可逆绝热过程。
答案：21、400K 和的一摩尔某液态物质向真空容器中蒸发成 400K、的气态物质（可视为理想气体），已知此条件下该物质的标准摩尔气化热为 16.74kJ ·mol -1。
(1)计算该过程的 ΔS 总、ΔA 、ΔG ；(2)可用上述什么物理量作为过程方向判据？叙述判断理由并给出结果。
答案：22、计算 1mol 苯的过冷液体在 -5℃、时凝固过程的 ΔS 和 ΔG 。
已知 -5℃ 时固态苯和液态苯的饱和蒸气压分别为 0.0225×和 0.0264×，-5℃、时苯的摩尔熔化热为 9860J ·mol -1。
答案：（ΔG ＝-356.4J ，ΔS ＝-35.44J ·K -1）23、在 298K 、下，1mol 文石转变为方解石时，体积增加 2.75×10-6m 3·mol -3，Δr G m ＝-794.96J ·mol -1。
试问在 298K 时，最少需施加多大压力，方能使文石成为稳定相。
（设体积变化与压力无关） 答案：(P ＝2.89×108Pa)测 试 Ⅰ选择题(共15小题,每题2分)1、大温泉的温度为 50℃ ，周围大气温度为 15℃ ，假设一卡诺热机在上述两个热源间工作，若热机对环境作功100kJ ，则从温泉吸热 A. 823.4kJB. 923.4kJC. 142.9kJD. 10.8kJ2、下列叙述中，哪一种是错误的？ A. 热不能自动从低温物体流向高温物体。
B. 不可能从单一热源吸热作功而无其他变化。
C. 一切可能发生的宏观过程，均向着隔离体系熵增大的方向进行。
D. 绝热可逆过程是恒熵过程。
3、理想气体与温度为 T 的大热源接触作等温膨胀吸热 Q ，所作的功是在相同温度下变到相同终态的最大功的 20%，则体系的熵变为 A. Q /TB. -Q /TC. 5Q /TD. Q /5T4、体系经不可逆循环过程，则有 A. ΔS =0，ΔS 隔<0 B. ΔS >0，ΔS 环=0C. ΔS >0，ΔS 环<0D. ΔS =0，ΔS 隔>05、用力迅速推动气筒活塞而压缩气体，若看作绝热过程，则过程熵变 A. 小于零B. 大于零C. 等于零D. 不能确定6、过冷水的热容比同温度下的冰要大，则过冷水凝结成冰的相变过程的熵变（绝对值）比水凝结成冰的平衡相变过程的熵变 A. 大B. 小C. 一样D. 无法定7、一体系经过 A 、B 、C 三条不同的途径由同一始态出发至同一终态。
其中 A 、B 为可逆途径，C 为不可逆途径，则下列有关体系的熵变 ΔS 的七个等式为：（Q A 、Q B 、Q C 分别为三过程中体系吸收的热） 其中错误的是 A. (5)，(6)B. (1)，(4)C. (2)，(3)D. (5)，(7)8、在标准压力下，90℃ 的液态水气化为 90℃ 的水蒸气，体系的熵变将： A. 小于零B. 大于零C. 等于零D. 不能确定9、373.15K 、下水蒸发为水蒸气，这过程中下列何者为零？ A. ΔUB. ΔSC. ΔGD. ΔH10、在爆炸反应中，可用来判断过程方向的是 A. ΔGB. ΔSC. ΔAD. 不存在11、理想气体自状态 p 1、V 1、T 等温膨胀到 p 2、V 2、T 此过程 ΔA 与 ΔG 间的关系：A. ΔA =ΔGB. ΔA >ΔGC. ΔA <ΔGD. 无确定关系12.在凝固点，液体凝结为固体，在定压下升高温度时，该过程的 ΔG 值将： A. 增大B. 减少C. 不变D. 不能定13.已知 C 2H 2(g )和 C 6H 6(l )的(298K)分别为 209.2lkJ ·mol -1和123.1kJ ·mol -1。
在 25℃、下能否用乙炔合成苯？A. 不可以B. 可以C. 不能确定D. 升温才可以14.对理想气体，的值等于A. V /RB. V /nRC. V /C vD. V /C p15.根据麦克斯韦关系等于A. C.B.D.答案：1：B 、2：C 、3：C 、4：D 、5：B 、6：A 、7：D 、8：B 、9：C 、10：B 、11：A 、12：B 、13：B 、14：D 、15：B测 试 Ⅱ选择题(共10小题,每题2分)1、有三个大热源，其温度 T 3>T 2>T 1，现有一热机在下面两种不同情况下工作：(1)从 T 3 热源吸热 Q 循环一周对外做功 W 1，放给 T 1 热源热量为（Q -W 1）；(2)T 3 热源先将 Q 传给 T 2 热源，热机从 T 2 热源吸热 Q 后循环一周，对外做功 W 2，放给 T 1 热源（Q -W 2）热量。
