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第十二章 热力学定律
第三节 能量转化的方向性
选修系列
前文回顾
热力学第一定律：
系统内能的变化量 U 等于外界对系统所做的功 W 与系统从外界吸收的热量 Q 的代数和。
当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。
ΔU ：物体内能的变化量
W： 外界对物体做的功
Q： 物体吸收的热量
一、第一类永动机是不能制成的
各式各样的永动机典型设计
一、第一类永动机是不能制成的
17、18 世纪，人们曾期望设计一种永动机，这种机器不消耗任何能量，却能源源不断地对外做功，这类永动机称为第一类永动机。
在物理学中，若系统经历任意过程回到初始状态，即 U = 0，称系统经历一个循环过程。
根据热力学第一定律，若系统（机器）不断地对外做功，则必须从外界吸收热量。所以，既不消耗内能又不借助外界能量而不断对外做功是不可能的，即第一类永动机是不能实现的。因此，热力学第一定律也可以表述为“第一类永动机是不能制成的”。
二、能量守恒定律
焦耳 英国
1818-1889
电流通过电阻使液体升温
温度计
电能
内能
机械能
内能
能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，从物体的一部分转移到其他部分，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的具体体现。
三、热力学第二定律
鲁伯特之泪
水往低处流
？？？？？
这些说法反映了一个事实，有些事情即使不违背能量守恒定律，实际上也不可能发生。大量事实表明，涉及热现象的自然过程都有方向性。
三、热力学第二定律
冷却的水没有办法自发地变回沸腾的水。
一杯热水放在空气中，它就逐渐冷下来。但是我们却从未观察到相应的逆过程：热量自然地从空气向热水传递而使热水的温度升高，虽然在理论上这过程同样可以符合能量守恒定律。
不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化
德国 克劳修斯
1822-1888
热力学第二定律的克劳修斯表述:
那要引起其他变化是不是就可以发生呢？
三、热力学第二定律
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。
提供电能，冰箱工作
冰箱断电，逐渐热平衡
但是这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入——电能
热泵
三、热力学第二定律
热机
蒸汽机、内燃机等都是利用内能做功的机械
“热” 气
“冷” 气
机械功
高温热源
低温热源
功
热机
热
量
流
热机的几个特点：
有温差
有‘浪费’
能量利用存在效率极限
开尔文 英国
1824-1907
不可能从单一热源 吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
热力学第二定律的克劳修斯表述:
四、第二类永动机
补充：熵增原理
熵：指的是系统的无序程度，熵值越大，表示系统越混乱。
热力学第二定律又可以表示为：“一个孤立系统的熵值总是不减少的”
房间越来越乱
从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响的热机称为第二类永动机。
事实上，一切第二类永动机都是无法实现的。因为必定要付出其他代价。
五、能量的耗散与退降
开灯，电能在灯泡中转变成光能。光被墙壁吸收之后变成周围环境的内能耗散掉，我们无法把这些内能收集起来重新利用，即转化后的能量可被利用的价值越来越小，或者说能量的品质在逐步降级，这就是能量的耗散与退化。电能品质较高，内能品质较低。
自然界发生的各种变化中，能量的总值虽然保持不变，但是能量可被利用的价值却越来越小，即能量退降了。
既然自然界的能量是守恒的，为什么还会有能源危机？
示例1 判断下列说法的是否正确
(1)机械能可以完全转化为内能。 (　　)
(2)内能不可能完全转化为机械能。 (　　)
(3)能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。 (　　)
(4)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。 (　　)
√
×
√
√
变式1 根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（　　）
（A）功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功
（B）热可以从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
（C）气体向真空的自由膨胀是不可逆的
（D）随着技术的进步，热机的效率可以达到100%
C
示例2 根据热力学定律,下列判断正确的是(　　)
（A）空调可以制冷说明热量可以自发地从低温物体传到高温物体
（B）利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的
（C）制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气，而不引起其他变化
（D）满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行
B
变式2 关于热力学定律,下列说法正确的是(　　)
（A）功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
（B）对某物体做功,必定会使该物体的内能增加
（C）不可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功
（D）不可能使热量从低温物体传向高温物体
A
课堂小结
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或者具有方向性，例如热传递、摩擦生热、气体真空自由膨胀等。
热力学第二定律的克劳修斯表述
不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化
热力学第二定律的开尔文表述
不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
熵增原理
一个孤立系统的熵值总是不减少的
两类不可能实现的永动机
作业 12
课堂作业

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