2019-2020學年高中物理 第十章 熱力學定律 4 熱力學第二定律課件 新人教版選修3-3.ppt

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4熱力學第二定律 一 宏觀過程的方向性1 溫度不同的兩個物體接觸時 熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 但不會自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體 這說明熱傳導的過程具有方向性 2 無數(shù)事實告訴我們 一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的 二 熱力學第二定律的表述1 定義 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 2 表述 1 克勞修斯表述 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 該表述闡述的是熱傳遞的方向性 2 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(chǎn)生其他影響 該表述闡述的是機械能與內(nèi)能轉化的方向性 3 其他表述 對任何一類宏觀自然過程進行方向的說明 都可以作為熱力學第二定律的表述 例如 熱力學第二定律可以表述為氣體向真空的自由膨脹是不可逆的 3 熱機 1 熱機工作的兩個階段 第一個階段是燃燒燃料 把燃料中的化學能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能 第二個階段是工作物質(zhì)對外做功 把自己的內(nèi)能變成機械能 2 熱機的效率 熱機輸出的機械功W與燃料燃燒產(chǎn)生的熱量Q的比值叫作熱機的效率 用公式可表述為 1 熱力學第二定律表明 所有的物理過程都具有方向性 解析 熱力學第二定律指出了所有與熱現(xiàn)象有關的宏觀物理過程都具有方向性 并不是所有的物理過程都具有方向性 答案 2 只要對內(nèi)燃機不斷改進 就可以將內(nèi)燃機得到的內(nèi)能全部轉化為機械能 解析 任何熱機都不可能使燃料釋放的熱量完全轉化為機械能 即熱機效率總低于100 答案 3 第二類永動機違反了能量守恒定律 解析 第二類永動機違反了熱力學第二定律 并不違反能量守恒定律 答案 自我檢測1 判斷正誤 對的畫 錯的畫 2 探究討論 1 熱傳遞的方向性能否簡單理解為 熱量不會從低溫物體傳給高溫物體 答案 不能 自發(fā)地 是指沒有第三者影響 例如空調(diào) 冰箱等制冷機就是把熱量從低溫物體傳到了高溫物體 但是也產(chǎn)生了影響 即外界做了功 2 第一類永動機不可能制成的原因是違背了能量守恒定律 那么自然界中不違背能量守恒定律的事件是否都會發(fā)生 答案 不一定 這是由于一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都具有方向性 探究一 探究二 熱力學第二定律問題探究1 覆水難收 破鏡難圓 水從高山流到河谷 不可能自己再返回高處 一滴墨水滴入一杯清水 會均勻地擴散開來 不可能再自動地凝成一滴墨水 這些現(xiàn)象說明什么道理 要點提示自然界的宏觀過程不可能自動地逆向進行 要使它們逆向進行 就必須由外界對它們施加作用 探究一 探究二 2 制冷機是使熱量從低溫物體傳到高溫物體的裝置 通過制冷機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 要點提示不會降低室內(nèi)的平均溫度 若將一臺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 但同時冰箱的箱體向室內(nèi)散熱 就整個房間來說 由于外界通過導線不斷有能量輸入 室內(nèi)的平均溫度會不斷升高 探究一 探究二 3 一種冷暖兩用型空調(diào) 銘牌標注 輸入功率1kW 制冷能力1 2 104kJ h 制熱能力1 3 104kJ h 這樣 該空調(diào)在制熱時 每消耗1J電能 將放出3J多熱量 請判斷是指標錯誤還是能量不守恒 要點提示都不是 空調(diào)制冷 制熱 靠壓縮機做功 從室內(nèi) 室外 吸收熱量放到室外 室內(nèi) 在制熱時 放出的熱量等于消耗的電能與從窗外吸收的熱量之和 完全可以大于電能消耗 這既不違背熱力學第一定律 也不違背熱力學第二定律 知識歸納1 對熱力學第二定律的理解在熱力學第二定律的表述中 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第二定律的關鍵所在 1 自發(fā)地 過程就是不受外來干擾進行的自然過程 如重物下落 植物的開花結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 對外界的影響或有外界的幫助 就是要有外界對其做功才能完成 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)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成 對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 探究一 探究二 探究一 探究二 2 熱力學第二定律的實質(zhì)熱力學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 進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 探究一 探究二 3 對熱力學第二定律的兩種表述等價性的證明兩種表述是等價的 即一個說法是正確的 另一個說法也必然是正確的 如一個說法是錯誤的 另一個說法必然是不成立的 下面給出證明 設表述 1 不成立 低溫熱庫T2可以自發(fā)地向高溫熱庫T1傳遞熱量Q2 如圖所示 探究一 探究二 那么 我們可在高溫熱庫T1和低溫熱庫T2之間設置一熱機 使它從高溫熱庫吸收熱量Q1 對外做功W 并把熱量Q2傳遞給低溫熱庫 當這一過程完成之時 低溫熱庫由于吸熱和放熱相等 沒有引起其他變化 高溫熱庫放出熱量Q1大于吸收熱量Q2 熱機對外做功W Q1 Q2 相當于高溫熱庫放出的熱量全部用來對外做功 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 即凡違反表述 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 探究一 探究二 例題1 對熱力學第二定律的理解 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 外界對物體做功 物體的內(nèi)能必定增加C 第二類永動機不可能制成 是因為違反了能量守恒定律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 思考問題 熱力學第二定律的本質(zhì)是什么 提示自然界中與熱現(xiàn)象有關的一切自發(fā)過程都有 方向性 并且一切自發(fā)過程都是不可逆的 探究一 探究二 解析 根據(jù)熱力學第二定律 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A錯誤 根據(jù)熱力學第一定律 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兩個因素 所以選項B錯誤 第二類永動機不違反能量守恒定律 而違反了熱力學第二定律 選項C錯誤 選項D是熱力學第二定律的表述形式之一 是正確的 答案 D熱力學第二定律的理解 1 理解熱力學第二定律的實質(zhì) 即自然界中進行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過程都具有方向性 2 理解的關鍵在于 自發(fā) 和 不產(chǎn)生其他影響 探究一 探究二 變式訓練1關于兩類永動機和熱力學兩個規(guī)律 下列說法正確的是 A 第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第一定律B 第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第二定律C 由熱力學第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能 熱傳遞也不一定改變內(nèi)能 但同時做功和熱傳遞一定會改變內(nèi)能D 由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的 從單一熱源吸收熱量 完全變成功也是可能的解析 第一類永動機違反能量守恒定律 第二類永動機違反熱力學第二定律 A B項錯誤 由熱力學第一定律可知W 0 Q 0 但 U W Q可以等于0 C項錯誤 由熱力學第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的 但不引起其他變化是不可能的 D項正確 答案 D 探究一 探究二 第二類永動機問題探究1 如圖所示為國內(nèi)某柴油機廠所產(chǎn)的單缸柴油機 圖中上方部分為水箱 熱機工作時 內(nèi)能可以全部轉化為機械能嗎 為什么 水箱所起的作用是什么 要點提示柴油機工作時水箱所起的作用是作為低溫熱庫 在內(nèi)能向機械能轉化的過程中 內(nèi)能有一部分轉移到低溫熱庫 不可能全部轉化為機械能 探究一 探究二 2 我們把 從單一熱庫吸收熱量 使之完全變成功 而不產(chǎn)生其他影響的熱機稱為第二類永動機 如果隨著科技的不斷發(fā)展 能夠使熱機沒有漏氣 沒有摩擦 也沒有熱量損失 是不是就能制成第二類永動機 要點提示不能 這是因為熱機必須有熱源和冷凝器 熱機工作時 總要向冷凝器放熱 不可避免地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量 即使是理想熱機 沒有摩擦 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化為機械能 總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中 所以說第二類永動機是不可能制成的 探究一 探究二 知識歸納1 熱機 1 熱機 熱機是把內(nèi)能轉化成機械能的一種裝置 如蒸汽機把水蒸氣的內(nèi)能轉化為機械能 內(nèi)燃機是把燃燒后的高溫高壓氣體的內(nèi)能轉化為機械能 2 熱機的工作原理 工作物質(zhì)從熱庫吸收熱量Q1 推動活塞做功W 然后排出廢氣 同時把熱量Q2散發(fā)到冷凝器或大氣中 根據(jù)能量守恒有Q1 W Q2 探究一 探究二 3 熱機的效率 把熱機做的功W與它從熱庫中吸收的熱量Q1的比值叫做熱機的效率 用 表示 因為Q1 W Q2 所以Q1 W W 熱機的效率不可能達到100 即使是理想熱機 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化為機械能 總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中 探究一 探究二 2 第二類永動機 1 第二類永動機 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 2 第二類永動機不可能制成 這類機器雖然不違背能量守恒定律 但因為機械能和內(nèi)能的轉化過程是有方向性的 熱機工作時從高溫熱庫吸收的熱量Q 只有一部分用來做功W 轉變?yōu)闄C械能 另一部分熱量要排放給低溫熱庫 也就是說 熱機在工作過程中必然排出部分熱量 熱機用于做機械功的熱量僅是它從高溫熱庫吸收熱量的一部分 絕不會是全部 所以第二類永動機是不可能制成的 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 所以熱機的效率總達不到100 汽車發(fā)動機的效率一般在20 30 燃氣輪機的效率較高 可達60 左右 3 熱力學第二定律還可表述為第二類永動機不可能制成 探究一 探究二 3 兩類永動機的比較 探究一 探究二 典例剖析 例題2 多選 關于第二類永動機 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叫作第二類永動機B 第二類永動機違反了能量守恒定律 所以不可能制成C 第二類永動機不可能制成 說明機械能可以全部轉化為內(nèi)能 內(nèi)能卻不可能全部轉化為機械能D 第二類永動機不可能制成 說明機械能可以全部轉化為內(nèi)能 內(nèi)能卻不可能全部轉化為機械能 同時不引起其他變化 探究一 探究二 解析 根據(jù)第二類永動機的定義可知選項A正確 第二類永動機不違反能量守恒定律 但是違反熱力學第二定律 所以選項B錯誤 機械能可以全部轉化為內(nèi)能 內(nèi)能在引起其他變化時可能全部轉化為機械能 選項C錯誤 選項D正確 答案 AD雖然第二類永動機不違反能量守恒定律 大量的事實證明 在任何情況下 熱機都不可能只有一個熱源 熱機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熱源 所以第二類永動機不可能制成 因為它違背了熱力學第二定律 探究一 探究二 變式訓練2汽車內(nèi)燃機汽缸內(nèi)汽油燃燒時 氣體體積膨脹推動活塞對外做功 已知在某次對外做功的沖程中 汽油燃燒釋放的化學能為1 103J 因尾氣排放 汽缸發(fā)熱等對外散失的熱量為8 102J 該內(nèi)燃機的效率為 隨著科技的進步 可設法減少熱量的損失 則內(nèi)燃機的效率能不斷提高 其效率 選填 有可能 或 仍不可能 達到100 解析 內(nèi)燃機的效率 20 內(nèi)燃機的效率永遠也達不到100 答案 20 仍不可能 1 2 3 4 1 多選 下列哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生 并且不違背熱力學第二定律 A 常溫下一杯熱茶在打開杯蓋后 茶會自動變得更熱B 蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉化成機械能C 桶中混濁的泥水在靜置一段時間后 泥沙下沉 上面的水變清 泥 水自動分離D 電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體解析 選項A B都違背了熱力學第二定律 都不能發(fā)生 選項C中系統(tǒng)的勢能減少了 選項D中消耗了電能 所以不違背熱力學第二定律 均能發(fā)生 答案 CD 1 2 3 4 2 下列說法正確的是 A 一切形式的能量間的相互轉化都具有方向性B 熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體C 氣體的擴散過程具有方向性D 一切形式的能量間的相互轉化都不具有可逆性解析 熱力學第二定律反映了所有與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性 A D兩項錯誤 熱量不是不能從低溫物體傳給高溫物體 關鍵是會不會產(chǎn)生其他影響 B項錯誤 氣體擴散過程具有方向性 C項正確 答案 C 1 2 3 4 3 下列說法正確的是 A 功可以完全轉化為熱量 而熱量不可以完全轉化為功B 熱機必須是具有兩個熱庫 才能實現(xiàn)熱功轉化C 熱機的效率不可能大于1 但可能等于1D 熱機的效率必定小于1解析 開爾文表述沒有排除熱量可以完全轉化為功 但必然要產(chǎn)生其他變化 比如氣體等溫膨脹 氣體內(nèi)能完全轉化為功 但氣體體積增大了 A項錯誤 開爾文表述指出 熱機不可能只有單一熱庫 但未必就是兩個熱庫 可以具有兩個以上熱庫 B項錯誤 由可知 只要Q2 0 1 如果Q2 0 則低溫熱庫不存在 違背了開爾文表述 故C項錯誤 D項正確 答案 D 1 2 3 4 4 多選 關于熱傳導的方向性 下列說法正確的是 A 熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體B 熱量能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體C 在一定條件下 熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體D 熱量一定不可能從低溫物體傳給高溫物體解析 在一定條件下 熱量可以從低溫物體傳遞給高溫物體 而在自發(fā)的條件下 熱量只能從高溫物體傳給低溫物體 故A C選項正確 答案 AC