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第三章 热力学定律
第3-4节 能量守恒定律-热力学第二定律
能量具有不同的形式，不同形式的能量之间是可以相互转化的
风能转化为电能
电能转化为内能
太阳能转化为电能
化学能转化为电能
能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。所有自然现象都涉及能量，人类的任何活动都离不开能量。在认识自然的进程中，科学家慢慢知道了要用联系的观点去观察自然。
迈尔
提出能量守恒的思想
盖斯
化学反应放出的热量与反应步骤无关
焦耳
功热等价
亥姆霍兹
概括和总结能量守恒定律
能量守恒不是由某一个人通过某一项的研究而得到的
一、能量守恒定律
1、内容：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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
自由落体运动：势能→动能 摩擦生热：机械能→内能
电流通过电阻丝：电能→内能 热机中的气体推动活塞做功：内能→机械能
燃料燃烧：化学能→内能 电流通过白炽灯：电能→内能→光能
2、意义：
（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现，也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭。
（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
3、对能量守恒定律的理解：不同形式的能量之间可以相互转化，不论是什么形式和过程，都遵守能量守恒定律。
①在自然界中，不同的能量形式与不同的运动形式相对应：如物体做机械运动具有机械能、分子运动物体具有内能等。
②某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。
③某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
4、能量是与质量相关联的一个物理量
能量守恒的观点也在不断地发展，相对论建立以后，基本粒子的研究使我们认识到，能量其实是与质量相关联的一个物理量。在20世纪30年代初，奥地利物理学家泡利根据能量守恒定律预言了中微子。
多了解一点： 永动机
1. 永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。
（人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机）
2. 历史上的永动机：
螺旋永动机
达·芬奇
滚球永动机
马尔基斯
软臂永动机
19世纪设计
螺旋永动机
弗拉德
磁力永动机
泰斯尼尔斯
3. 最终结果：无一例外地归于失败。
4. 失败的原因：违背了能量守恒定律。
5. 永动机给我们的启示：人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。
例1：如图所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度，则下面有关能的转化的说法中正确的是（ 　D　 ）
A．子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能
B．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的势能
C．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能
D．子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，
另一部分转变成沙箱和子弹的机械能
例2：如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B
两部分气体，A 的密度小，B 的密度大，加热气体，
并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，
气体内能的增量为ΔU，则(　　)
A. ΔU＝Q B. ΔUC. ΔU>Q D. 无法比较
解析　因A 部分气体密度小，B 部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能.故正确答案为B.
所有宏观自发过程都具有单向性
无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，我们也从未见到它们会自发地进行。这就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
物体间的传热
气体的膨胀
扩散现象
有摩擦的机械运动
热现象
特定的方向
温度由高到低
体积由小到大
密度由密到疏
由功到热
二、热力学第二定律
1、热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
（自发性：不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响）
诠释：
① 在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。
② 热量可以从低温物体传到高温物体上，但会引起其它变化，比如冷机做功。
③ 克劳修斯表述阐述的是热传递的方向性。
克劳修斯的表述也相当于：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是将热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。
【思考】电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢？
电冰箱工作时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），但这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机消耗电能，对制冷系统做了功。
2、热力学第二定律的开尔文表述：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。（“不可能从单一热库吸收热量”的意思是 ：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。）
诠释：
① 这里阐述的是机械能与内能转化的方向性：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(即没有效率为100%的热机）。
② 可从单一热库吸收热量，使之完全变成功，但会产生其他影响。
③ 开尔文表述也可以改为：第二类永动机是不可能制造成的。
开尔文的表述也相当于：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不引起其他变化。
定义：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
第二类永动机不可能制成：违反热力学第二定律
第一类永动机 第二类永动机
设计要求
不可能原因
不消耗任何能量，可以不断地做功（或给予很少的能量启动后，能够永远运动）
将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化
违背能量转化与守恒定律
违背热力学第二定律
多了解一点： 第二类永动机
①两种表述是等价的
可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。
②对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
4、热力学第二定律得其他描述：
（1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
（2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
3、热力学第二定律的意义:
提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。
热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
5、热力学第二定律的适用范围
（1）适用于宏观过程对微观过程不适用，如布朗运动。
（2）孤立系统有限范围，对整个宇宙不适用
6、与热力学第一定律的关系
热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响.所以二者相互独立，又相互补充.
7、热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。
热力学第三定律：绝对零度不可达到但可以无限趋近。
三、能源是有限的
自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。
分散在环境中的内能不管数量多么巨大，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
能源是指具有高品质的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等。
能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质降低了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
例3：根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（　 C 　）
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%
例4：关于热力学定律,下列说法正确的是(　 A 　)
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
例5：下列关于能量耗散的说法,正确的是( 　 BCD 　)
A.能量耗散使能的总量减少,违背了能量守恒定律
B.能量耗散是指散失在环境中的内能很难收集起来被人类利用
C.机械能向内能的转化是能够全额发生的
D.能量耗散导致能量品质降低了
课堂小结
一、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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
二、热力学第二定律：
1、克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
2、开尔文表述：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。
三、能源是有限的：
1、能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。
2、能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质降低了。

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