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3.3热力学第二定律 学案
学习目标：
1．知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性。　
2.理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题。　
3.了解用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成的原因．
基础知识：
一、可逆过程和不可逆过程
1.可逆过程：一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程．
不可逆过程：
如果用任何方法都不能使系统与外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程．
2.热传导的方向性
①热量可以自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分．
②热量不能自发地由低温物体传给高温物体．
③热传递是不可逆过程，具有方向性．
(3)功和热相互转变的方向性
①功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性．
②热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性．
3.结论
凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性．
二、热力学第二定律及第二类永动机
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
(1)内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有方向性。
(2)传热的方向性
①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。
②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。
③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
说明：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入，就能发生。
2．热力学第二定律的另一种表述
(1)热机
①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。
②热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示：η＝。
(2)开尔文表达
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。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)
注意：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。
3.第二类永动机
①定义
从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不引起其他影响的机器．
②第二类永动机不可能制成
第二类永动机虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律．
③热力学第二定律的又一表述
第二类永动机是不可能实现的．
重难点理解：
热力学第二定律的理解
1．对热力学第二定律的理解
在热力学第二定律的表述中，正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。
(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它不受外界干扰。在传热过程中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，却不能自发地从低温物体传向高温物体。要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“对外界的影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例，它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”运到高温处的。
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。
2．热机
(1)热机：把内能转化成机械能的一种装置。
如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。
(2)热机的工作原理
工作物质从热库吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中。
根据能量守恒有Q1＝W＋Q2。
(3)热机的效率
把热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η＝。
因为Q1＝W＋Q2，所以Q1>W，η<1。
这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中。
(4)特别提示：①热机必须有热源和冷凝器。
②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。
③因热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1>W。
④热机的效率不可能达到100%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。
3．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
4．对热力学第二定律的两种表述等价性的证明
两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的。
典例1、(多选)下列说法正确的是(　　)
A．机械能全部转化为内能是不可能的
B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会消失，也不会创生，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式
C．根据热力学第二定律可知，热量可能从低温物体传到高温物体
D．从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的
CD　[机械能可以全部转化为内能，故A错误；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C正确；从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D正确．]
巩固练习：
1．下列说法中正确的是(　　)
A．电动机是把电能全部转化为机械能的装置
B．热机是将内能全部转化为机械能的装置
C．随着技术不断发展，可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
D．虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用
2.(多选)下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　　)
A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C．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而不产生其他影响
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
3．(多选)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是(　　)
A．不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不引起其他变化
B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的
C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化
D．在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能
4．(多选)如图中汽缸内盛有定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　　)
A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律
B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律
C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律
D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律
参考答案：
1. D　2. BC　3. AD　4.CD　

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