高中物理 第5章 热力学定律 第3节 热力学第二定律知识导航素材 鲁科版选修3-3.doc

第3节 热力学第二定律思维激活1.燃烧的火柴，将化学能转化为热能，没见过燃过的火柴再自动“回复”原状.2.两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为一种均匀的混合气体，但是绝不会发生相反的现象：一种均匀的混合气体会自发地分开，成为两种气体.3.荡来荡去的秋千，如果不能持续得到外加的能量，空气阻力及秋千受到的摩擦力就会使秋千逐渐减小摆动的幅度，直到最终停摆.绝没见过停摆的秋千又自动摆动起来.4.人们从生到死，没见过“返老还童”.不能实现这些相反的过程吗?提示：现实生活中，很多热现象都是不可逆的，气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动都有特定的方向性，这些过程可以自发地朝某个方向进行，例如热由高温物体传向低温物体，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.为了反映宏观自然过程的方向性，我们引入了热力学第二定律.自主整理一、自然过程的方向性1.温度不同的两个物体接触时,热量会_地从_物体传给_物体,但不会自发地从_物体传给_物体.这说明:热传导的过程具有_.2.“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助.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,它们不受外来干扰,这就是“自发”的过程.3.功转变为热这一热现象是_的,具有_.热转变为功这一热现象也是_的,具有_.二、热力学第二定律的表述1.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.第一种表述(克劳修斯表述):热量不能_从低温物体传到高温物体.(说明热传导的方向性).3.第二种表述(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.(说明功转变为热现象的宏观过程是不可逆的).4.第二类永动机(1)定义 只从_吸收热量,使之完全变为有用的_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_,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.高手笔记1.热机的效率 热机是一种把内能转化为机械能的装置,并且热机做的功w和它从热源吸收的热量q的比值叫做热机的效率,即=.2.两类永动机的比较(1)第一类永动机:不消耗任何能量,却可以源源不断地对外做功.能量的转化和守恒定律的发现,使人类认识到第一类永动机是不可能制成的,它违背了能量的转化和守恒定律.(2)第二类永动机:有人想制成这样的热机,只有单一的热源而没有冷凝设备,它可以从这个单一热源吸收热量,并且可以全部用来做功,而不引起其他变化,这种人们假想中的热机称为第二类永动机.这类永动机虽然没有违反能量的转化和守恒定律,但是,同制造第一类永动机一样都失败了,其原因是机械能和内能的转化都有方向性,尽管机械能都可以全部转化为内能,但是内能却不能全部转化为机械能,而不引起其他变化,即第二类永动机违反了热力学第二定律.名师解惑1.热力学第二定律的意义剖析：系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化过程.(1)从微观看,在功转化为热的过程中,自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程,但其逆过程却不能自动地进行,即不可能由大量分子无规则的热运动自动转变为有序运动;热传递的过程中,自然过程是大量分子从无序程度小(即一部分热运动剧烈,另一部分运动迟缓的有序性)的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程,其逆过程不能自动进行.(2)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.热现象是与大量分子的无规则运动相联系的,因此,自然界中存在的凡涉及与分子热运动有关的宏观过程都是有方向性的.(3)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.2.第二类永动机不可能制成剖析：这类机器虽然不违背能的转化与守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是具有方向性的,热机工作时从高温热源吸收的热量q,只有一部分用来做功w,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温热源,也就是说,热机在工作过程中必然排出部分热量,热机用于做机械功的热量仅是它从高温热源吸收热量的一部分,绝不会是全部.所以第二类永动机是不可能制成的.从上面的分析可知,即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失,总有wq,所以热机的效率也达不到100%.汽车发动机的效率一般在20%30%,蒸汽轮机的效率较高,才达到60%左右.3.热力学第二定律与热力学第一定律的关系剖析：(1)关于滑动摩擦力的功: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)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.讲练互动【例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（由电流热效应中的焦耳定律可知），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递给高温物体.答案：bcd绿色通道 此类题主要考查的是热力学第二定律的内涵，解题的关键是要对热力学第二定律有深刻的认识，并且能灵活地作相应的变换.变式训练1下列说法中正确的是（ ）a.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性b.一切不违反能量守恒与转化定律的物理过程都是可能实现的c.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行d.一切物理过程都不可能自发地进行答案：ac【例2】第二类永动机不可以制成，是因为（ ）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.机械能不能全部转变为内能d.内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化解析：第二类永动机设想虽然符合能量守恒定律，但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律，所以不可能制成.答案：d绿色通道 热力学第二定律表明，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，而不引起其他变化.变式训练2.下列说法正确的是（ ）a.热力学第二定律的两种表述是等价的b.热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成c.热力学第二定律揭示了宏观过程的方向性d.能量耗散反映出自然界中宏观过程具有方向性答案：abcd体验探究【问题1】谈谈在生活中遇到的有方向性的现象.导思：讨论交流生活当中有方向性的现象应从以下几个角度进行:自然界中的宏观过程,进行的过程是自发的,研究对象应是一个系统.探究：李玉：“自发”过程就是不受外来干扰进行的自然过程.例如：气体的扩散现象；连通器下面有个开关，两边水柱不一样高，打开开关，两管水柱相平却不能再复原；人不能返老还童；在化学变化中，有一些变化可以向能量最低状态、无序状态变化等等.王芳：要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就要有外界对其做功才能完成，电冰箱就是一例.张亮：在整个自然界中，无论有生命的或无生命的，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等.探究结论：所有的宏观自发过程都具有单向性.【问题2】 第二类永动机为什么不可能制成?导思：第二类永动机违背了能量传递的方向性,能量不可能由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化.机械能可以完全转化为内能,但是内能不可能完全转化为机械能,因为在这个过程中有能量损失,一部分能量以热能的形式流失了,最后只有一部分能量转化为机械能,根据能量守恒定律可以知道,用来做功的能量小于从热库吸收的热量,所以永动机是不可能制成的.探究：热机从高温热库吸收热量q1，其中一部分转化为对外所做的机械功w，另一部分热量q2随废气放出到冷凝器中，根据能的转化和守恒定律，应有q1=w+q2，热机效率 =1 可见，任何热机（即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失）都不可能把吸收的能量百分之百地转化成机械能，总有一部分热量q2散发到冷凝器中.也就是说，那种没有冷凝器，只有单一热库，从这个单一热库吸收的热量能全部用来做功而不引起其他变化的热机是不存在的.探究结论：第二类永动机是永远不可能制造成功的.教材链接1.教材p89讨论与交流 你还能举出其他的实例,说明热和功相互转化的过程具有方向性吗? 请举出尽可能多的例子,并与同学讨论交流.答：例如:(1)机械能与内能之间的转化;(2)气体的扩散;(3)在一绝热容器内盛有液体,不停地搅动它,使它温度升高;(4)在一绝热容器内,不同温度的液体进行混合.2.教材p90讨论