高中物理 第十章 热力学定律 4 热力学第二定律课件 新人教版选修

4 热力学第二定律 1.通过自然界中热传导的方向性等实例,初步了解热力学第二定 律,知道热力学第二定律的两种不同表述及实质,能运用热力学第 二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。 2.了解什么是第二类永动机,能用热力学第二定律解释第二类永 动机不能制成的原因。 一二 一、热传导的方向性 1.温度不同的两个物体接触时,热量会自发地从高温物体传给低 温物体,但不会自发地从低温物体传给高温物体,这说明热传导的 过程具有方向性。 2.无数事实告诉我们,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不 可逆的。 三 一二三 结合电冰箱的工作情况想一下,热传导的方向性是否说明“热量 不能从低温物体传给高温物体”? 提示:不能,这是因为热量能从低温物体传向高温物体,只不过不 能自发进行,而是需要外界帮助。 一二三 二、热力学第二定律 1.定义:在物理学中,反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力 学第二定律。 2.表述 (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。( 该表述阐述的是传热的方向性) (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。(该表述阐述的是机械能与内能转化的方向性) (3)其他表述:对任何一类宏观自然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,热力学第二定律也可以表述为 气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 一二三 一二三 2.第二类永动机 (1)定义:只从单一热库吸收热量,并使之完全变成有用功而不产 生其他影响的热机。 (2)第二类永动机不可能制成的原因:违背了热力学第二定律。 一二三 如果随着科技的不断发展,能够使热机没有漏气,没有摩擦,也没 有机体热量损失,是不是能使热机的效率达到100%? 提示:不能,这是因为由热力学第二定律可知热机的工作物质吸 收的热量不能完全用来对外做功。 一、对热力学第二定律的理解 1.对热力学第二定律表述的理解 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。在热传递过程中,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”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。 3.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。下面 给出证明: 设表述(1)不成立,如图所示,低温热源T2可以自发地向高温热源T1 传递热量Q2。 温馨提示热力学第二定律的提出具有如下意义: (1)揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(或自然界中 实际的宏观过程)都具有方向性。 (2)说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的,即由某一过程的 不可逆性可推出另一过程的不可逆性。 二、热力学第一定律与热力学第二定律的比较 1.关于摩擦生热 热力学第一定律中,滑动摩擦力做功可以全部转化为热。热力学 第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全 变成功。 2.关于热量的传递 热力学第一定律说明,热量可以从高温物体自动传向低温物体,而 热力学第二定律却说明热量不能自动地从低温物体传向高温物体 。 3.关于能量 热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒,热力学第二定 律却说明并非所有能量守恒过程均能实现,能量转化有方向性。 4.两个定律的关系 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。 温馨提示看一种热机设计方案是否可行,不仅要看是否遵守能量 守恒定律,还要看是否满足热力学第二定律。 类型一类型二 类型一类型二 A.气体是从单一热库吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力 学第二定律 B.气体是从单一热库吸热,但并未全用来对外做功,因此此过程不 违反热力学第二定律 C.气体是从单一热库吸热,全部用来对外做功,但此过程不违反热 力学第二定律 D.以上三种说法都不正确 类型一类型二 点拨:熟记热力学第二定律的两种表述并准确理解其含义是正确 处理此类问题的关键。 解析:由于气体始终通过汽缸壁与外界接触,外界温度不变,活塞 杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中,有足够时间进行热交 换,所以汽缸内的气体温度也不变。要保持其内能不变,该过程气 体是从单一热源即外部环境吸收热量,即全部用来对外做功才能保 证内能不变,但此过程并不违反热力学第二定律。这是因为此过程 需要外力对活塞做功来维持,如果没有外力F对活塞做功,此过程不 可能自发进行。 答案:C 类型一类型二 题后反思根据热力学第二定律的两种表述可知,热量可以从低温物 体传向高温物体,内能也可以全部转化为机械能,但要引起其他变 化或需借助外界的帮助。 类型一类型二 触类旁通本题中“活塞杆缓慢地向右移动,气体膨胀对外做功”能自 发进行吗? 答案:不能。 类型一类型二 热力学第一定律与热力学第二定律的比较 【例2】 关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确 的是( ) A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热 力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两 条定律是相互矛盾的 B.内能可以全部转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故 两条定律并不矛盾 C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们不但不矛盾,而且没 有本质区别 D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二 定律 类型一类型二 点拨:准确透彻地理解热力学第一定律和热力学第二定律的几种 表达方式是解答本题的关键。 解析:热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关 系,是能量守恒定律在热学中的具体体现。热力学第二定律则进一 步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性,二者表述的角度不 同,本质不同,相互补充,并不矛盾,故选项C、D错误,选项B正确;内 能在一定条