高考物理 10.4 热力学第二定律课件 新人教版选修33.ppt

4热力学第二定律 1 通过自然界中热传导方向性的实例 了解热力学第二定律 并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因 2 能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 3 尝试运用热力学第二定律解决一些实际问题 重点 1 热力学第二定律的两种不同表述 以及两种表述的物理实质 2 第二类永动机及其不能制成的原因 难点 热机的效率 一 热力学第二定律的克劳修斯表述1 热传导的方向性 凡是实际的过程 只要涉及热现象 如热传递 气体的膨胀 扩散 有摩擦的机械运动 都具有特定的 性 这些过程可以 地朝某个方向进行 例如热量由 物体传向 物体 而相反的过程 即使不违背能量守恒定律 也不能 地进行 这就是说 一切与热现象有关的宏观自然过程都是 方向 自发 高温 低温 自发 不可逆的 2 热力学第二定律的克劳修斯表述德国物理学家克劳修斯在1850年提出 热量不能自发地从 物体传到 物体 热力学第二定律的克劳修斯表述 阐述的是传热的 低温 高温 方向性 想一想 热传递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 不能 自发地 是指没有第三者影响 例如空调 冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体 但是也产生了影响 即外界做了功 二 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 燃料 把燃料中的 变成工作物质的内能 第二个阶段是工作物质对外 把自己的内能变成 2 热机的效率 热机输出的 与燃料产生的 的比值 用公式表示为 燃烧 化学能 做功 机械能 机械功w 热量q 2 开尔文表述 不可能从单一热库吸收热量 使之 而不产生其他影响 该表述阐述了机械能与内能转化的方向性 3 热力学第二定律的其他描述 1 一切宏观自然过程的进行都具有 2 气体向真空的自由膨胀是 的 完全变成 功 方向性 不可逆 4 第二类永动机 1 定义 只从单一热库吸收热量 使之完全变为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 但大量的事实证明 在任何情况下 热机都不可能只有一个热库 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库 能量守恒定律 判一判 1 第二类永动机违反了能量守恒定律 2 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 3 热力学第二定律表明 所有的物理过程都具有方向性 提示 1 第二类永动机违反热力学第二定律 并不是违反能量守恒定律 1 错 2 任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能 即热机效率总低于100 2 错 3 热力学第二定律指出了所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性 并不是所有的物理过程都具有方向性 3 错 热力学第二定律理解中的几个问题 探究导引 电冰箱在工作时 是从冰箱内低温物体吸热 然后释放到冰箱外部高温空间 思考以下问题 1 这一过程是自发进行的吗 2 热力学第二定律反映了什么样的规律 3 克劳修斯是如何表述热力学第二定律的 要点整合 1 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 2 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 而是这样做功的过程中 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发热传递是不可能的 3 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 4 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 5 两种表述是等价的 两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性 两种表述可以相互推导 如果克劳修斯表述不成立 则开尔文表述也不成立 特别提醒 1 自发地 是指热量从高温热库自发地传给低温热库的方向性 在传递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 不引起其他变化 的含义是指不需通过第三方的帮助 这里的帮助就是第三方给提供能量等方式 典例1 随着世界经济的快速发展 能源短缺问题日显突出 近期油价不断攀升 已对各国人民的日常生活造成了各种影响 如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生 能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一 下列有关能量转化的说法中正确的是 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 满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行d 外界对物体做功 物体的内能必然增加 思路点拨 解答此题时应注意以下三点 关键点 1 注意热力学第二定律的克劳修斯表述及开尔文表述的完整性 不能断章取义 2 热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系 3 内能改变的两种方式 规范解答 选a 由热力学第二定律的开尔文表述可知a对 热机效率总低于100 b错 满足能量守恒的物理过程未必能自发进行 任何过程一定满足热力学第二定律 c错 由热力学第一定律 u w q可知 w 0 u不一定大于0 即内能不一定增加 d错 总结提升 理解热力学第二定律的方法 1 理解热力学第二定律的实质 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 理解的关键在于 自发 和 不引起其他变化 2 还要正确理解哪些过程不会达到100 的转化而不产生其他影响 变式训练 2012 新课标全国卷 关于热力学定律 下列说法正确的是 填入正确选项前面的字母 a 为了增加物体的内能 必须对物体做功或向它传递热量b 对某物体做功 必定会使该物体的内能增加c 可以从单一热源吸收热量 使之完全变为功d 不可能使热量从低温物体传向高温物体e 功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 解析 选a c e 做功和热传递都可以改变物体的内能 选项a正确 由热力学第一定律可知 对某物体做功 物体的内能可能增加 不变或减小 故b错 由热力学第二定律可知 通过外界作用可以从单一热源吸收热量 使之完全变为功 可以使热量从低温物体传向高温物体 所有的实际宏观热过程都是不可逆的 所以c e对 d错 变式备选 根据热力学第二定律 下列判断正确的是 a 热机中燃气的内能不可能全部变成机械能b 电流的能不可能全部变成内能c 在火力发电过程中 燃气的内能不可能全部变成电能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 选a c d 凡是与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性 无论采用任何设备和手段进行能量转化 总是遵循 机械能可全部转化为内能 而内能不能全部转化为机械能 故a正确 火力发电过程中 能量转化的过程为内能 机械能 电能 因为内能 机械能的转化过程中会对外放出热量 故燃气的内能必然不能全部变为电能 c正确 热量从低温物体传递给高温物体不能自发进行 必须借助外界的帮助 结果会带来其他影响 这正是热力学第二定律克劳修斯表述的主要思想 故d正确 由电流热效应中的焦耳定律可知 电流的能可以全部转化为内能 故b错误 热力学第二定律与热力学第一定律的比较 探究导引 由学过的物理知识可知 机械能可以全部转化为内能 而将内能转化为机械能的装置 热机 它的效率却不能达到100 请思考以下问题 1 热机的效率达不到100 是因为摩擦和汽缸漏气吗 2 开尔文是如何表述热力学第二定律的 3 第二类永动机为什么不能制成 要点整合 1 热力学第二定律与热力学第一定律的比较 规律 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现 否定了创造能量和消灭能量的可能性 从而否定了第一类永动机 热力学第二定律是关于在有限空间和时间内 一切和热现象有关的物理过程 化学过程具有不可逆性的经验总结 从而否定了第二类永动机 区别与联系 两定律都是热力学基本定律 分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律 二者既相互独立 又相互补充 都是热力学的理论基础 规律 区别与联系 2 两类永动机的比较 不消耗任何能量 可以不断做功 或只给予很少的能量启动后 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 违背了能的转化与守恒定律 违背了热力学第二定律 特别提醒 1 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局限于热机 2 热力学第二定律与热力学第一定律一起构成了热力学的主要理论基础 3 除对热力学研究外 其他如在化学反应中 研究化学能与其他形式能量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 典例2 关于两类永动机和热力学两大定律 下列说法正确的是 a 第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律b 第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律c 由热力学第一定律可知做功不一定改变内能 热传递也不一定改变内能 但同时做功和热传递一定会改变内能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 思路点拨 掌握两类永动机的概念以及深刻理解热力学两大定律是解答本题的关键 规范解答 选d 第一类永动机违反热力学第一定律 第二类永动机违反热力学第二定律 a b错 由热力学第一定律可知w 0 q 0 但 u w q可以等于0 c错 由热力学第二定律可知d中现象是可能的 但不引起其他变化是不可能的 d对 总结提升 解决此类问题要深入理解好热力学第一定律和热力学第二定律 1 热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式 是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性 告诫人们 第一类永动机不可能制成 2 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 进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性 告诫人们 第二类永动机不可能制成 变式训练 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 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 解析 选b 热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现 而热力学第二定律则指出所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性 二者并不矛盾 故a c d错误 b正确 温馨提示 关于热力学第二定律的考查 在近几年的高考选做题中很少涉及 考查形式以选择题为主 题目难度适中 典例 一种冷暖两用型空调 铭牌标注 输入功率1kw 制冷能力1 2 104kj h 制热能力1 3 104kj h 这样 该空调在制热时 每消耗1j电能 将放出3j的热量 标注是否错误 思路点拨 空调机不论制冷还是制热都是将内能从温度低的地方向温度高的地方传递 即热量从低温物体向高温物体传递 规范解答 空调制冷 制热是靠压缩机做功 通过内部的制冷剂将热量从温度低的地方向温度高的地方传递 在制热时 室内温度高 室外温度低 热量不会自发地从室外向室内传递 要实现这一过程就会引起其他的变化 这里的其他变化正是通过压缩机做功消耗电能的过程 题中放出了3j的热量是指将 3j的内能从室外传递到室内 需消耗1j的电能 整个过程既不违背热力学第一定律的能量守恒 又符合热力学第二定律的方向性 因此题中标注没有错误 答案 见规范解答 对热力学第二定律的理解热力学第二定律揭示了与热现象有关的宏观物理过程的方向性 第二类永动机虽然不违背能量守恒定律 但与热力学第二定律不符 1 当涉及热传递时 热量可以自发地由高温物体向低温物体传递 当热量由低温物体向高温物体传递时 要引起其他变化 2 当涉及能量转化时 机械能可以自发地全部转化为内能 但要使内能转化为机械能时 要引起其他变化 案例展示 在研究性学习的过程中 同学们提出了以下四个活动方案 哪些从理论上讲是可行的 a 改进热机的生产工艺 总有一天热机的效率可以达到100 b 发明一种制冷设备 使温度降至绝对零度c 汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气 想办法使它们自发