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(共37张PPT)
4　热力学第二定律
素养·目标定位
目标素养
1.知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。具有方向性的过程是不可逆的
2.理解热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成的原因
3.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
知识概览
课前·基础认知
一、热力学第二定律
1.热力学第二定律的克劳修斯表述。
(1)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。
②热传导过程是有　方向性　的。热量不能自发地由低温物体传给高温物体。
(2)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。
2.热力学第二定律的开尔文表述。
(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)热力学第二定律的开尔文表达。
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。
微探究 河水只能从高处流向低处,不会自动地从低处流向高处。成语“覆水难收”指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中的。下落的石头也不会把内能自动转化为动能,使自己重新飞上去。
(1)这些现象说明什么道理 (2)能否使这些现象逆向进行 (3)传热的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”
提示:(1)这些现象说明自然界的宏观过程不可能自动地逆向进行。(2)可以使这些现象逆向进行,但不是自发地,必须有第三者的介入。(3)传热的方向性是指“热量不能自发地从低温物体传到高温物体”,在有第三者介入时,热量会从低温物体传给高温物体。传热的方向性不能简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”。
二、能源是有限的
1.能量耗散:能量在数量上虽然守恒,但其转移和转化却具有
　方向性　。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,根据热力学第二定律,这些能量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”。
2.能源: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。
3.能源的使用:能源的使用过程中虽然总量保持守恒,但能量的　品质　下降了。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。
微思考 能量耗散的说法与能量守恒定律是互相矛盾的吗
提示:不矛盾。能量耗散的过程中能量向品质低的内能转变,但是总的能量是守恒的,能量不能凭空产生,也不能凭空消失,但有方向性,所以能量耗散与能量守恒不矛盾。
课堂·重难突破
一 热力学第二定律
问题探究
制冷机是使热量从低温物体传到高温物体的装置,通过制冷机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。夏天,将房间内一台正在工作的电冰箱的门打开,试分析这是否可以降低室内的平均温度 为什么
提示:不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开,尽管可以不断向室内释放冷气,但同时冰箱的箱体向室内散热,就整个房间来说,由于外界通过导线不断有能量输入,因此室内的平均温度会不断升高。
归纳总结
1.在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义。
(1)“自发地”指明了传热等热力学宏观现象的方向性,在传热过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。
(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。
(3)“单一热库”指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定,则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作,从而可以对外做功。
(4)“不可能”:实际上热机或制冷机系统循环终了时,除了从单一热库吸收热量对外做功,以及热量从低温热库传到高温热库以外,过程所产生的其他一切影响,不论用任何的办法都不可能加以消除。
2.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,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。
典型例题
【例1】 (多选)电冰箱的工作原理是在压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内、外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是(　　)
A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
BC
解析:热力学第一定律适用于所有的热学过程,选项C正确。由热力学第二定律可知,选项A、D错误,B正确。
特别提示 对热力学第二定律理解的两点说明 (1)理解热力学第二定律的关键在于“自发”和“不引起其他变化”。 (2)热量可以从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传到高温物体,只不过前者能自发地进行,后者必须借助外界的帮助;机械能可以全部转化为内能,而内能要全部转化为机械能肯定会引起其他变化。
二 热机与第二类永动机
问题探究
汽车和轮船上用的汽油机、柴油机,火力发电厂和核电站用的蒸汽轮机等都是热机。汽车的发动机如图所示,请思考并回答下列问题。
(1)热机的工作过程是怎样的
(2)热机工作时,汽缸(燃烧室)是它的高温
热库,低温热库在哪里
(3)第二类永动机为什么不可能制成
提示:(1)热机从高温热库吸收热量,推动活塞做功,然后向低温热库放出热量。
(2)汽车发动机工作时低温热库就是汽缸外界空间中的大气。
(3)热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性,如机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化,进一步揭示了任何宏观自然过程都具有方向性,所以第二类永动机不可能制成。
归纳总结
1.热机的特点。
(1)热机不仅仅只有一个热库。
(2)热机的效率不可能达到100%。
2.第二类永动机不可能制成的原因。
违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。
3.第二类永动机不能制成的意义。
(1)机械能可以全部转化成内能,但内能不能全部转化成机械能,而不产生其他影响。
(2)机械能和内能的转化具有方向性。
4.两类永动机的比较。
分类 第一类永动机 第二类永动机
设计
要求 不消耗任何能量,可以不断对外做功(或只给予很小的能量启动后,可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化(或只有一个热库,实现内能与机械能的转化)
不可能
制成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
典型例题
【例2】 (多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是(　　)
A.没有冷凝器,只有单一的热库,能将从单一热库吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能
D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
答案:AD
解析:根据第二类永动机的定义可知选项A正确。第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,选项B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时也可能全部转化为机械能,选项C错误,D正确。
成 果 验 收 站
1.关于自然过程中的方向性,下列说法正确的是(　　)
A.摩擦生热的过程是可逆的
B.凡是符合能量守恒的过程都是可逆的
C.生产和生活中与热现象有关的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”
D.空调既能制冷又能制热,说明传热不存在方向性
答案:C
解析:摩擦生热的过程是不可逆的,选项A错误。能量守恒具有单向性,一般是不可逆的,选项B错误。生产和生活中与热现象有关的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”,选项C正确。空调既能制冷又能制热,并不能说明传热不存在方向性,只是在反向时,要引起其他方面的变化,选项D错误。
2.下列有关能量转化的说法正确的是(　　)
A.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化
B.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C.不可能使热量从低温物体传向高温物体
D.能量是守恒的,所以不存在能源短缺问题
答案:A
解析:根据热力学第二定律可知,不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化,选项A正确;不管对内燃机如何改进,都不可能把内燃机得到的全部内能转化为机械能,选项B错误;热量也能从低温物体传向高温物体,但要引起其他的变化,选项C错误;能量虽然是守恒的,但能源不是取之不尽、用之不竭的,有些能源耗散后将不能再直接使用,所以存在能源危机,选项D错误。
3.(多选)根据热力学第二定律可知,下列说法正确的是(　　)
A.热量能够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
B.热量能够从高温物体传到低温物体,也能从低温物体传到高温物体
C.功可以全部变成热量,但热量不可能全部变成功
D.功可以全部变成热量,热量也可能全部变成功
答案:BD
解析:根据传热的规律可知,热量能够自发地从高温物体传到低温物体,当外界对系统做功时,可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体,制冷机(如冰箱)就是这样的装置,但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体,选项A错误,B正确。一个运动的物体,克服摩擦阻力做功,最终停止,在这个过程中功全部变成热量,外界条件发生变化时,热量也可以全部变成功,如在等温膨胀过程中,系统吸收的热量全部变成对外界做的功,选项C错误,D正确。
4.下列说法正确的是(　　)
A.功可以完全转化为热量,而热量不可以完全转化为功
B.热机必须具有两个热库,才能实现热功转化
C.热机的效率不可能大于1,但可能等于1
D.热机的效率必定小于1
答案:D
5.关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是
(　　)
A.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能
D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一热库吸收热量,完全变成功也是可能的
答案:D
解析:第一类永动机违反能量守恒定律,选项A错误;第二类永动机违反热力学第二定律,选项B错误;由热力学第一定律可知当W≠0,Q≠0时,ΔU=W+Q可以等于0,选项C错误;由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的,但一定会产生其他影响,选项D正确。

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