2018-2019學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律課件 新人教版選修3-3.ppt

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第4節(jié)熱力學(xué)第二定律,[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．了解熱傳遞、擴(kuò)散現(xiàn)象、機(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等都具有方向性。知道具有方向性的過程為不可逆的。2．了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不能制造成功的原因。3．能用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題。4．嘗試運(yùn)用熱力學(xué)第二定律解決一些實(shí)際問題。,一、熱力學(xué)第二定律的一種表述1．熱傳導(dǎo)的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是_________。2．克勞修斯表述：德國物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出：熱量不能自發(fā)地從_____物體傳到____物體。熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述，闡述的是傳熱的________。,不可逆的,低溫,高溫,方向性,自主思考——判一判1．(1)一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。()(2)熱量不會(huì)從低溫物體傳給高溫物體。()(3)由冰箱能自發(fā)地把熱量從低溫物體傳給高溫物體。(),√,,,二、熱力學(xué)第二定律的另一種表述1．熱機(jī)(1)熱機(jī)工作的兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的_______變成工作物質(zhì)的____。第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外___，把自己的內(nèi)能變成______。(2)熱機(jī)的效率：熱機(jī)輸出的_________與燃料產(chǎn)生的______的比值。用公式表示為,2．開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之___________，而不產(chǎn)生其他影響。(該表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性),化學(xué)能,內(nèi)能,做功,機(jī)械能,機(jī)械功W,熱量Q,完全變成功,3．熱力學(xué)第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有_______。(2)氣體向真空的自由膨脹是_______的。(3)第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。4．第二類永動(dòng)機(jī)(1)定義：只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。,方向性,不可逆,(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因：雖然第二類永動(dòng)機(jī)不違反_____________，但大量的事實(shí)證明，在任何情況下，熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱庫，熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)釒?。自主思考——判一?．(1)可以從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Α?)(2)第二類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律。()(3)第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律。(),能量守恒定律,√,,√,制冷機(jī)是使熱量從低溫物體傳到高溫物體的裝置，通過制冷機(jī)的工作可以使一定空間內(nèi)的物體溫度低于環(huán)境溫度并維持低溫狀態(tài)。夏天，將房間內(nèi)一臺(tái)正在工作的電冰箱的門打開，試分析這是否可以降低室內(nèi)的平均溫度？為什么？提示不會(huì)降低室內(nèi)的平均溫度。若將一臺(tái)正在工作的電冰箱的門打開，盡管可以不斷向室內(nèi)釋放冷氣，但同時(shí)冰箱的箱體向室內(nèi)散熱，就整個(gè)房間來說，由于外界通過導(dǎo)線不斷有能量輸入，室內(nèi)的平均溫度會(huì)不斷升高。,考點(diǎn)一熱力學(xué)第二定律1．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解在熱力學(xué)第二定律的表述中，正確地理解“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的確切含義是理解熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵所在。(1)“自發(fā)地”過程就是不受外來干擾進(jìn)行的自然過程，如重物下落、植物的開花結(jié)果等都是自然界客觀存在的一些過程，它不受外界干擾。在熱傳遞過程中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。,要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“對(duì)外界的影響或有外界的幫助”，就是要有外界對(duì)其做功才能完成。電冰箱就是一例，它是靠電流做功的幫助把熱量從低溫處“搬”到高溫處的。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。,3．對(duì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述等價(jià)性的證明兩種表述是等價(jià)的，即一個(gè)說法是正確的，另一個(gè)說法也必然是正確的；如一個(gè)說法是錯(cuò)誤的，另一個(gè)說法必然是不成立的。下面給出證明：設(shè)表述(1)不成立，低溫?zé)釒霻2可以自發(fā)地向高溫?zé)釒霻1傳遞熱量Q2，如圖10－4－1所示。那么，我們可在高溫?zé)釒霻1和低溫?zé)釒霻2之間設(shè)置一熱機(jī)，使它從高溫?zé)釒煳諢崃縌1，對(duì)外做功W，并把熱量Q2傳遞給低溫?zé)釒?。?dāng)這一過程完成之時(shí)，低溫?zé)釒煊捎谖鼰岷头艧嵯嗟龋瑳]有引起其他變化。,高溫?zé)釒旆懦鰺崃縌1大于吸收熱量Q2，熱機(jī)對(duì)外做功W＝Q1－Q2，相當(dāng)于高溫?zé)釒旆懦龅臒崃咳坑脕韺?duì)外做功，且沒有引起其他變化，也就是說單一熱庫所放出的熱量全部用來做功。這顯然是違反表述(2)的，即凡違反表達(dá)(1)的說法，必然違反表述(2)。反之，也可以證明，凡違反表述(2)的，也必然違反表述(1)。,圖10－4－1,[例1]隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問題日顯突出。近期油價(jià)不斷攀升，已對(duì)各國人民的日常生活造成了各種影響，如排長(zhǎng)隊(duì)等待加油的情景已經(jīng)多次在世界各地發(fā)生。能源成為困擾世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大難題之一。下列有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的說法中正確的是A．不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他的變化B．只要對(duì)內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn)，就可以把內(nèi)燃機(jī)得到的全部?jī)?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C．滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)地進(jìn)行D．外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能必然增加,【審題指導(dǎo)】解答此題時(shí)應(yīng)注意以下三點(diǎn)：(1)注意熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述及開爾文表述的完整性，不能斷章取義。(2)熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的區(qū)別與聯(lián)系。(3)內(nèi)能改變的兩種方式。,【解析】由熱力學(xué)第二定律的開爾文表述可知A對(duì)；熱機(jī)效率總低于100%，B錯(cuò)；滿足能量守恒的物理過程未必能自發(fā)進(jìn)行，任何過程一定滿足熱力學(xué)第二定律，C錯(cuò)；由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，W＞0，ΔU不一定大于0，即內(nèi)能不一定增加，D錯(cuò)?！敬鸢浮緼,名師點(diǎn)撥熱力學(xué)第二定律的理解(1)理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，即自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過程都具有方向性。(2)理解的關(guān)鍵在于“自發(fā)”和“不產(chǎn)生其他影響”。,1．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解，下列說法正確的是A．熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體B．外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能必定增加C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`反了能量守恒定律D．不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化,,解析根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體，但在一定條件下，熱量可以由低溫物體傳遞到高溫物體，例如電冰箱的工作過程，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，物體內(nèi)能的變化取決于吸收或放出的熱量和做功的正負(fù)兩個(gè)因素，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，而違反了熱力學(xué)第二定律，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；選項(xiàng)D是熱力學(xué)第二定律的表述形式之一，是正確的。答案D,2．(多選)下列關(guān)于熱傳導(dǎo)的說法中，正確的是A．熱量只能從高溫物體流向低溫物體，而不能從低溫物體流向高溫物體B．熱量可以從低溫物體傳遞給高溫物體C．熱量可以有條件地從低溫物體傳遞給高溫物體，只要低溫物體內(nèi)能足夠大D．熱量可以有條件地從低溫物體流向高溫物體，條件是外界必須做功,解析克勞修斯表述并沒有排除熱量由低溫物體流向高溫物體A錯(cuò)；說法B比較籠統(tǒng)，但并無錯(cuò)誤；說法C對(duì)條件的解釋有錯(cuò)誤，熱量的流向與物體內(nèi)能無直接關(guān)系，C錯(cuò)。說法D正確。答案BD,考點(diǎn)二第二類永動(dòng)機(jī)1．熱機(jī)(1)熱機(jī)：熱機(jī)是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的一種裝置。如蒸汽機(jī)把水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；內(nèi)燃機(jī)是把燃燒后的高溫高壓氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(2)熱機(jī)的工作原理。工作物質(zhì)從熱庫吸收熱量Q1，推動(dòng)活塞做功W，然后排出廢氣，同時(shí)把熱量Q2散發(fā)到冷凝器或大氣中。根據(jù)能量守恒有Q1＝W＋Q2。,③因熱機(jī)工作時(shí)，總要向冷凝器散熱，不可避免地要釋放一部分熱量Q2，所以總有Q1＞W(wǎng)。④熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%，即使是理想熱機(jī)，沒有摩擦，也沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。2．第二類永動(dòng)機(jī)(1)第二類永動(dòng)機(jī)。只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。,這類機(jī)器雖然不違背能量守恒定律，但因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程是有方向性的，熱機(jī)工作時(shí)從高溫?zé)釒煳盏臒崃縌，只有一部分用來做功W，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，另一部分熱量要排放給低溫?zé)釒臁Ｒ簿褪钦f，熱機(jī)在工作過程中必然排出部分熱量，熱機(jī)用于做機(jī)械功的熱量?jī)H是它從高溫?zé)釒煳諢崃康囊徊糠?，絕不會(huì)是全部，所以第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。從上面的分析可知，即使沒有任何漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失，也總有W＜Q，所以熱機(jī)的效率總達(dá)不到100%，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率一般在20%～30%，燃?xì)廨啓C(jī)的效率較高，可達(dá)60%左右。(3)熱力學(xué)第二定律還可表述為第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。,3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較,[例2](多選)關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī)，下列說法正確的是A．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機(jī)的叫作第二類永動(dòng)機(jī)B．第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化,【解析】根據(jù)第二類永動(dòng)機(jī)的定義可知選項(xiàng)A正確。第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但是違反熱力學(xué)第二定律，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤。機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能在引起其他變化時(shí)可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)D正確?！敬鸢浮緼D,名師點(diǎn)撥雖然第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但大量的事實(shí)證明，在任何情況下，熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱源，熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓Γ筒豢杀苊獾貙⒁徊糠譄崃總鹘o低溫?zé)嵩?。所以第二類永?dòng)機(jī)不可能制成，因?yàn)樗`背了熱力學(xué)第二定律。,3．下列說法正確的是A．第二類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律B．第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律C．根據(jù)能量守恒定律，經(jīng)過不斷的技術(shù)改造，熱機(jī)的效率有可能達(dá)到100%D．電冰箱和空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩?，違背了熱力學(xué)第二定律,解析第二類永動(dòng)機(jī)沒有違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，A錯(cuò)誤，B正確；熱機(jī)的效率永遠(yuǎn)小于100%，因?yàn)橐虻蜏責(zé)嵩瓷?，C錯(cuò)誤；電冰箱和空調(diào)機(jī)工作時(shí)，是通過壓縮機(jī)做功，來實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩吹礁邷責(zé)嵩吹膫鬟f，所以并沒有違背熱力學(xué)第二定律，D錯(cuò)誤。答案B,4．汽車內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)汽油燃燒時(shí)，氣體體積膨脹推動(dòng)活塞對(duì)外做功。已知在某次對(duì)外做功的沖程中，汽油燃燒釋放的化學(xué)能為1103J，因尾氣排放、汽缸發(fā)熱等對(duì)外散失的熱量為8102J。該內(nèi)燃機(jī)的效率為______。隨著科技的進(jìn)步，可設(shè)法減少熱量的損失，則內(nèi)燃機(jī)的效率能不斷提高，其效率______(選填“有可能”或“仍不可能”)達(dá)到100%。,答案20%仍不可能,