高中物理 5.3 热力学第二定律同步课件 鲁科版选修33.ppt

第3节热力学第二定律 1 应用 为什么第二类永动机不可能制成2 理解 热力学第二定律的实质 热传导的方向性3 认识 热力学第二定律的两种不同表述 热传递的过程是有 的 这个过程可以向一个方向 地进行 但是向相反的方向却 进行 要实现相反方向的过程 必须借助外界的帮助 因而产生 或引起 例如 热量只能自发地从高温物体传递给低温物体 一 热传递的方向性 方向性 自发 不能自发地 其他影响 其他变化 二 热力学第二定律 克劳修斯描述 不可能自发地从 传到 而不引起其他变化 即热传递具有方向性 开尔文表述 不可能从 吸收热量 使之完全变成功 而不产生其他影响 即机械能与内能转化具有 方向性 意义 揭示了有大量分子参与的宏观过程的 是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律 低温物体 高温 物体 单一热源 方向性 热量 三 第二类永动机 第二类永动机 人们把没有 只有 从单一热源吸收热量 可以全部用来 的热机叫做第二类永动机 第二类永动机不可能制成 冷凝器 单一热源 做功 机械功 热量 温馨提示热机必须有热源和冷凝器 热机不能把它得到的全部内能转化为机械能 热机工作时 总要向冷凝器散热 不可避免地要释放一部分热量q2 所以总有q1 w 热机的效率不可能达到100 即是理想热机 没有摩擦 也没有漏气等能量损失 它也不可能把吸收的能量百分之百地转化为机械能 一 宏观过程的方向性 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 结果使高温物体的温度降低 低温物体的温度升高 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 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 但绝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 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 但绝不可能出现气体自发地从容器中流出 容器变为真空 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 房屋衰朽倒榻 人的一生从婴儿到老年到死亡等 二 热机 热机 热机是把内能转化成机械能的一种装置 如蒸汽机把水蒸汽的内能转化为机械能 内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能 热机的组成部分 1 热源 指燃烧燃料而获得能量的部件 2 工作物质 指利用获得的热量来做功的物质 如蒸汽机的蒸机 内燃机里燃烧后的高温气体 3 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汽的温度也很高 如果把这种蒸汽直接放入大气中 则大气就是冷凝器 当然这样就白白浪费了剩余蒸汽所具有的能量 通常把这种工作后剩余蒸汽通过管道送入居民区用于烧水 做饭 取暖等 工作物质从热源吸收热量q1 推动活塞做功w 然后排出废气 同时把热量q2散发到冷凝器中 根据能量守恒有q1 w q2 热机的工作原理 热机的效率 因为q1 w q2 所以q1 w 1 这说明热机不可能把吸收的热能全部转化成机械能 总有一部分要散失到冷凝器中 三 热力学第二定律的理解 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 据报道 有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电 其他影响 指除了从单一热库吸收的热量 以及所做的功以外的其他一切影响 或者除了从低温物体吸收热量 高温物体得到相同的热量外 其他一切影响和变化 不是不能从单一热库吸收热量而对外做功 而是这样做的结果 一定伴随着其他变化或影响 同样 也不是热量不能从低温物体传到高温物体 而是指不产生其他影响的自动热传递是不可能的 关于 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 不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除 适用条件 只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程 而不适用于少量的微观体系 也不能把它扩展到无限的宇宙 两种表述是等价的如果克劳修斯表述不成立 则开尔文表述也不成立 热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的具体表现形式 能量既不能凭空产生也不能凭空消失 只能从一种形式转化为另一种形式 在转化的过程中 总的能量保持不变 热力学第二定律是指在有限的时间和空间内 一切和热现象有关的物理过程 化学过程具有不可逆性 第一类永动机 不消耗任何能量 可以不断做功 或只给予很小的能量启动后 可以永远运动下去 第二类永动机 将内能全部转化为机械能 而不引起其他变化 或只有一个热源 实现内能与机械能的转化 四 热力学第一定律 第二定律的比较 两个定律的比较 两类永动机的比较 特别提醒热力学第二定律有许多表述方法 对任何一类宏观自然过程进行方向的说明 都可以作为热力学定律的表述 其每一种表述都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性 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 热传递是有方向性的d 气体向真空中膨胀的过程是有方向性的 例1 热传递的方向性 解析如果是自发地进行 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 a c对 b错 气体向真空中膨胀的过程也是不可逆 具有方向性的 d对 答案acd借题发挥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 使高温物体的温度降低 低温物体的温度升高 这个过程是自发进行的 不需要任何外界的影响或者帮助 有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体 如电冰箱 但这不是自发地进行的 需要消耗电能 其实自然界中所有的热现象都是具有单向性的 下列哪个过程具有方向性 a 热传导过程b 机械能向内能的转化过程c 气体的扩散过程d 气体向真空中的膨胀解析这四个过程都是与热现象有关的宏观过程 根据热力学第二定律可知 它们都是不可逆的 具有方向性 答案abcd 变式1 根据热力学第二定律可知 下列说法中正确的是 a 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b 没有冷凝器 只有单一的热源 能将从单一热源吸收的热量全部用来做功 而不引起其他变化的热机是可以实现的c 制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中 而不引起其他变化d 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 例2 热力学第二定律 解析热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性 机械能和内能的转化过程具有方向性 机械能可以全部转化为内能 而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助 即会引起其他变化 a选项正确 b选项错误 热传递过程也具有方向性 热量能自发地从高温物体传给低温物体 但是热量要从低温物体传到高温物体 必然要引起其他变化 外界对系统做功 故c选项错误 d选项正确 答案ad 借题发挥 1 一切物理过程均遵守能量转化与守恒定律 但遵守能量守恒的物理过程不一定均能实现 2 热力学第二定律的关键在于 自发性 和 方向性 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 从单一热库吸收的热量全部变成功是可能的 变式2 解析机械能可以完全转化为内能 摩擦生热就是个例子 a错误 所谓的第二类永动机是违背热力学第二定律的机器 但不违背能量的转化与守恒定律 b错误 采取其他措施可以把热量从低温物体传到高温物体 如空调机 通过做功将热量从低温物体传到高温物体 c选项错误 热力学第二定律的表述是 不可能从单一热源吸收热量 使之完全变为有用的功而不产生其他影响 例如 理想气体的等温膨胀 理想气体可以把吸收的热量全部用来做功 但是却产生了其他影响 即理想气体的体积膨胀了 d选项正确 答案d 第二类永动机不可能制成的原因是 a 违背了能量守恒定律b 热量总是从高温物体传递到低温物体c 机械能不能全部转化为内能d 内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化解析第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律 但是违背了热力学第二定律 所以不可能制成 答案d借题发挥凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性 机械能可全部转化成内能 而内能不能全部转化成机械能 而不引起其他变化 例3 第二类永动机是不可能制成的 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机械能 使这个物体运动起来 其原因是 a 违反了能量守恒定律b 在任何条件下热能都不可能转化成机械能 只有机械能才能转化成热能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热力学第二定律的每一种表述 都揭示了大量分子参与的宏观过程的不可逆性 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 答案c 变式3 关于热传导的方向性 下列说法正确的是 a 热量能自发地由高温物体传给低温物体b 热量能自发地由低温物体传给高温物体c 在一定条件下 热量也可以从低温物体传给高温物体d 热量不可能从低温物体传给高温物体解析在有外力做功的情况下 热量可以从低温物体传给高温物体 但热量只能自发地从高温物体传给低温物体 答案ac 热传递的方向性 1 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 由焦耳定律可知 而内能不可能全部变成电流的能 而不产生其它影响 机械能可全部变为内能 但内能不可能全部变成机械能而不产生其它影响 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递给高温物体 答案bcd 热力学第二定律 2 下列关于制冷机制冷过程的说法中 正确的是 a 此过程违反了热力学第二定律b 此过程没有违反热力学第二定律c 此过程违反了能量守恒定律d 此过程没有违反能量守恒定律解析制冷机可以从低温物体吸收热量传给高温物体 但必须消耗电能 热力学第二定律并不否认热量可从低温物体传给高温物体 关键是 不产生其他影响 a错误 b正确 任何物理过程都不违反能量守恒定律 c错误 d正确 答案bd 3 关于热现象和热学规律 下列说法中正确的是 a 随着低温技术的发展 我们可以使温度逐渐降低 并达到绝对零度 最终实现热机效率100 b 热量是不可能从低温物体传递给高温物体的c 第二类永动机遵从能量守恒故能做成d 用活塞压缩汽缸里的空气 对空气做功2 0 105j 同时空气向外界放出热量1 5 105j 则空气的内能