高中物理 第10章 第4节 热力学第二定律同步辅导与检测课件 新人教版选修33.ppt

第4节热力学第二定律 热力学定律 热力学第二定律的建立热力学第二定律是在热力学第一定律建立后不久建立起来的 它的建立与19世纪20年代卡诺对于热机的研究有着密切的关系 卡诺在探索提高热机效率的研究工作中 抓住了热机的本质 撇开了各种次要因素 抽象出一个仅仅工作于一个高温热源和一个低温热源 冷源 间的理想热机 卡诺热机 他把这样一个热机比拟为水轮机 我们可以足够确切地把热的动力比之于瀑布 瀑布的动力取决于液体的高度和液体的量 而热的动力同样取决于所用热质的量以及热质的 下落高度 即交换热质的两物体之间的温度差 卡诺所处的时代正是热质说占统治地位的时代 卡诺的这段话也是热质说的反映 现在看起来当然是不对的 但是他得到的结论却是正确的 单独提供热不足以给出推动力 还必须要冷 没有冷 热将是无用的 他已经接触到了热力学第二定律的边缘 英国物理学家开尔文在研究卡诺和焦耳的工作时 发现了某种不和谐 按照能量守恒定律 热和功应该是等价的 可是按照卡诺的理论 热和功并不是完全相同的 因为功可以完全变成热而不需要任何条件 而热产生功却必须伴随有热向冷的耗散 他在1849年的一篇论文中说 热的理论需要进行认真改革 必须寻找新的实验事实 同时代的克劳修斯也认真研究了这些问题 他敏锐地看到不和谐存在于卡诺理论的内部 他指出卡诺理论中关于热产生功必须伴随着热向冷的传递的结论是正确的 而热的量 即热质 不发生变化则是不对的 克劳修斯在1850年发表的论文中提出 在热的理论中 除了能量守恒定律以外 还必须补充另外一条基本定律 没有某种动力的消耗或其他变化 不可能使热从低温转移到高温 这条定律后来被称作热力学第二定律 克劳修斯 的表述在现代教科书中一般表述为 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 第二年 1851年 开尔文提出了热力学第二定律的另一种表述方式 开尔文的表述在现代教科书中一般表述为 不可能从单一热源吸取热量 使之完全变成有用功而不产生其他影响 克劳修斯和开尔文关于热力学第二定律的表述是完全等价的 他们都是指明了自然界宏观过程的方向性 或不可逆性 它们都是关于自然界涉及热现象的宏观过程的进行方向的规律 1 一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的 即宏观自然过程具有 在物理学中 反映宏观自然过程的 的定律就是热力学第二定律 2 德国物理学家克劳修斯在1850年提出 这就是热力学第二定律的克劳修斯表述 阐述的是 的方向性 3 开尔文于1851年提出了热力学第二定律的另一种表述 即开尔文表述 不可能从单一热源吸收热量 使之完全变成功 而不产生其他影响 开尔文表述阐述了 的方向性 即通过做功 机械能可以 转化为内能 而内能无法 转化成机械能 答案 1 不可逆方向性方向性2 热量不能自发地从低温物体传到高温物体热传导3 机械能与内能转化过程全部全部 4 热力学第二定律的上述两种表述是 等价的 可以从一种表述推导出另一种表述 对任何一类宏观自然过程 的说明 都可以作为热力学第二定律的表述 5 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 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 性 热力学第二定律是在提高热机效率的生产实践中发现的 但它对实践的指导意义却不限于热机 它与热力学第一定律一起 构成了热力学的主要理论基础 除用于热学研究外 其他如在化学反应中 研究化学能与其他形式能的转化及各种化学过程进行的条件和方向等都有着重要的指导意义 4 完全进行方向5 方向方向 热传导的方向性 1 两个温度不同的物体相互接触时 热量会自发地从高温物体传给低温物体 结果使高温物体的温度降低 低温物体的温度升高 注 自发地 过程就是不受外来干扰进行的自然过程 2 热现象中的方向性 1 热传导具有方向性 两个温度不同的物体相互接触时 热量会自发地从高温物体传给低温物体 而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体 要实现低温物体向高温物体传递热量 必须借助外界的帮助 因而产生其他影响或引起其他变化 2 气体的扩散现象具有方向性 两种不同的气体可以自发地进入对方 最后成为均匀的混合气体 但这种均匀的混合气体 决不会自发地分开 成为两种不同的气体 3 机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在水平面上运动 因摩擦而逐渐停止下来 但决不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后 在地面上重新运动起来 4 气体向真空膨胀具有方向性 气体可自发地向真空容器膨胀 但决不可能出现气体自发地从容器中流出 容器变为真空 5 在整个自然界中 无论有生命的还是无生命的 所有的宏观自发过程都具有单向性 都有一定的方向性 都是一种不可逆过程 如河水向下流 重物向下落 山岳被侵蚀 房屋衰朽倒塌 人的一生从婴儿到老年到死亡等 例如 1 地球上有大量的海水 它的总质量约为1 4 1018t 如果这些海水的温度降低0 1 将要放出5 8 1023j的热量 这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量 这么巨大的能量不可能自发地传递给水蒸气推动蒸汽轮机发电 2 一滴墨水滴进一杯清水中 不久整杯水都均匀地变黑了 不会有这样的 逆过程 这杯均匀黑水中的小炭粒又自发地聚集在一起 成为一滴墨水 而其余部分又变成了清水 3 装着压缩气体的钢瓶 打开阀门后会听到 哧 一声 气体喷到外面 不会有这样的现象 外面的气体自发地进入钢瓶 使瓶内的压强变大 下列说法正确的是 a 热量能自发地从高温物体传给低温物体b 热量不能从低温物体传到高温物体c 热传导是有方向性的d 气体向真空中膨胀的过程是有方向性的解析 如果是自发的过程 热量只能从高温物体传到低温物体 但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体 只是不能自发地进行 在外界条件的帮助下 热量也能从低温物体传到高温物体 选项a对 b错 c对 气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的 具有方向性的 选项d对 答案 acd 变式迁移 1 我们绝不会看到 一个放在水平地面上的物体 靠降低温度 可以把内能自发地转化为动能 使这个物体运动起来 其原因是 a 违反了能量守恒定律b 在任何条件下内能不可能转化成机械能 只有机械能才能转化成内能c 机械能和内能的转化过程具有方向性 内能转化成机械能是有条件的d 以上说法均不正确解析 机械能和内能的相互转化 必须通过做功来实现 答案 c 热机 1 热机 1 定义 一种把内能转化为机械能的装置 2 原理 热机从热源吸收热量q1 推动活塞做功w 然后向冷凝器释放热量q2 3 效率由能量守恒定律q1 w q2 我们把热机做的功w和它从热源吸收的热量q1的比值叫做热机效率 用 表示 即 w q1 4 热机的组成部分 热源 指燃烧燃料而获得能量的部件 工作物质 指利用获得的热量来做功的物质 如蒸汽机里的蒸气 内燃机里燃烧后的高温气体 冷凝器 把做功后工作物质所剩余的热量进行再吸收的部分 如推动活塞做功后放出的蒸气的温度也很高 如果把这种蒸气直接放入大气中 则大气就是冷凝器 当然这样就白白浪费了剩余蒸气所具有的能量 通常把这种工作后剩余蒸气通过管道送入居民区用于烧水 做饭 取暖等 2 第二类永动机 1 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 2 第二类永动机不可能制成 虽然第二类永动机不违反能量守恒定律 大量的事实证明 在任何情况下 热机都不可能只有一个热源 热机要不断 地把吸取的热量变为有用的功 就不可避免地将一部分热量传给低温热源 很显然 如果第二类永动机能制成 那么就可以利用空气或海洋作为热源 从它们那里不断吸取热量而做功 这是最经济不过的 因为海洋的内能实际上是取之不尽的 有人提出这样一种设想 发明一种热机 用它把物体与地面摩擦所产生的热量都吸收过来并对物体做功 将内能全部转化为动能 使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来 而不引起其他变化 这是一个非常诱人的设想 这种设想并不违反能量守恒定律 如果真能造出这样的热机 那么 我们刚开始计算的单从海水中吸收热量来做功 就成可能的了 能源问题 也就解决了 但是客观实际中第二类永动机不可能制成 尽管机械能可以全部转化为内能 但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化 机械能和内能的转化过程具有方向性 下列说法中 正确的是 a 从甲物体自发传递热量给乙物体 说明甲物体的内能比乙物体多b 热机的效率从原理上讲可达100 c 因为能量守恒 所以 能源危机 是不可能的d 以上说法均不正确解析 自发的热传递的条件是必须存在温差 而不是内能差 甲物体传递热量给乙物体 说明甲物体的温度比乙物体高 故选项a错误 由热力学第二定律 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 可知 任何热机的机械效率都不可能达100 因此 b错 关于 能源危机 必须明白几点 1 能源是提供能量的资源 如煤 石油等 2 人们在消耗能源时 放出热量 有的转化为内能 有的转化为机械能等等 但最终基本上都转化成了内能 人们无法把这些内能收集起来再利用 能量耗散 而可供利用的能源是有限的 不可能再生 或短时间内不可再生 因此 能源危机 并非说明能量不守恒 故c错 答案 d点评 本题应从热传递的条件和传递的实质及热力学第二定律来考虑 大部分学生认为热量不能从低温物体传到高温物体 热机的效率从原理上讲可达到100 既然能量守恒 不会存在能源危机等错误认识 变式迁移 2 下列关于热机的说法中 正确的是 a 热机是把内能转化成机械能的装置b 热机是把机械能转化为内能的装置c 只要对内燃机不断进行革新 它可以把气体的内能全部转化为机械能d 即使没有漏气 也没有摩擦等能量损失 内燃机也不能把内能全部转化为机械能解析 由热机的定义我们易判断a正确 内燃机在工作时内能的损失有多种途径 所以内燃机不可能把气体的内能全部转化为机械能 d正确 故选a d 答案 ad 热力学第二定律 1 两种表述 1 不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化 这是按照热传导的方向性来表述的 2 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 也可以表述为 第二类永动机是不可能制成的 这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的 2 两种表述是等效的热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有联系 然而实际上它们是等效的 即由其中一个 可以推导出另一个 3 热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述 揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性 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 下列说法正确的是 a 热量不能由低温物体传递到高温物体b 外界对物体做功 物体的内能必定增加c 第二类永动机不可能制成 是因为违反了能量守恒定律d 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 解析 根据热力学第二定律 热量不能自发地由低温物体传递到高温物体 但在一定条件下 热量可以由低温物体传向高温物体 例如电冰箱的工作过程 故选项a错 根据热力学第一定律 物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素 所以选项b错 第二类永动机不违反能量守恒定律 而违反了热力学第二定律 选项c错 选项d是热力学第二定律的表述形式之一 是正确的 答案 d点评 热力学第二定律的重点在理解 在学习中应记熟其两种表述 并理解两种表述的等效性 抓住第二定律的实质 即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性 变式迁移 3 根据热力学第二定律 下列判断正确的是 a 电流的能不可能全部变为内能b 在火力发电机中 燃气的内能不可能全部变为电能c 热机中 燃气内能不可能全部变为机械能d 在热传导中 热量不可能自发地从低温物体传递给高温度物体解析 根据热力学第二定律可知 凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性 电流的能可全部变为内能 而内能不可能全部变成电流的能 机械能可全部变为内能 而内能不可能全部变成机械能 在热传导中 热量只能自发地从高温物体传递给低温物体 而不能自发地从低温物体传给高温物体 答案 bcd 基础巩固 1 下列说法正确的是 a 机械能全部变成内能是不可能的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凭空产生 也不会凭空消失 只能从一个物体转移到另一个物体 或从一种形式转化成另一种形式c 根据热力学第二定律可知 热量不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成功是可能的 解析 机械能可以全部都转化为内能 a错 第二类永动机不违反能量守恒 不可能制成的原因是机械能与内能的转化具有方向性 内能不会全部转化为机械能 同时不引起