24-25高中物理人教版选择性必修第三册讲义 16 第三章 4．热力学第二定律

10/104．热力学第二定律1．通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法。2．能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，和自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。3．了解能量与能源的区别以及能源的有限性。热力学第二定律1．热力学第二定律的克劳修斯表述(1)内容：热量不能自发地从____物体传到____物体。(2)热传递的方向性①热量可以自发地由____物体传给____物体。②热量不能自发地由____物体传给____物体。③一切与热现象有关的宏观自然过程都是________。提醒：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入就能发生。2．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：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的______变成工作物质的____；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：η＝__。(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)。提醒：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。如图是热量在传递过程中的情景。【问题】(1)在自然过程中热量是如何传递的？(2)热量能否由温度低的物体传递给温度高的物体？(3)空调和冰箱是如何传递热量的？1．自然过程的方向性。(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。物体在地面上运动，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。(4)气体向真空膨胀具有方向性。气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空。2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义。(1)“自发地”是指热量从高温物体自发地传给低温物体的方向性。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。(3)“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层温度不同来发电。(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，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，不论用任何的办法都不可能加以消除。特别提醒：(1)热力学第二定律的两种表述是等价的。(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，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。【典例1】(多选)关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是()A．一切物理过程都不可能自发地进行B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功C．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能是可能的D．做功可以改变物体的内能，热传递也可以改变物体的内能，同时做功和热传递一定会改变物体的内能[听课记录][跟进训练]1．下列说法正确的是()A．冰箱能使热量从低温物体传递给高温物体，因此不遵从热力学第二定律B．空调工作时消耗的电能与室内温度降低所放出的热量可以相等C．自发的热传导是不可逆的D．不可能通过给物体加热而使它运动起来，因为违背了热力学第一定律第二类永动机不可能制成如图所示为国内某柴油机厂所产的单缸柴油机，图中上方部分为水箱。我们把“从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的热机称为第二类永动机”。【问题】(1)热机工作时，内能可以全部转化为机械能吗？为什么？水箱所起的作用是什么？(2)如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气、没有摩擦，是不是就能制成第二类永动机？1．第二类永动机(1)第二类永动机。只从单一热库吸收热量，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。这类机器虽然不违背能量守恒定律，但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的，热机在工作过程中必然排出部分热量，即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失，热机排出气体的温度总比周围空气的温度高，它会向空气散热，也总有W<Q，所以热机的效率总达不到100%，汽车发动机的效率一般在20%～30%，燃气轮机的效率较高，可达60%左右。(3)热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成。2．两类永动机的比较分类第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量，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)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)不可能的原因违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律【典例2】地球上有很多的海水，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，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不可能制成的，其原因是()A．内能不可以转化成机械能B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律D．上述三种原因都不正确[听课记录][跟进训练]2．(多选)关于第二类永动机，下列说法正确的是()A．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第二类永动机B．第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二类永动机不可能制成，说明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D．第二类永动机不可能制成，说明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，同时不引起其他变化能源是有限的1．能量的转移和转化具有方向性：在各种生产生活中，人们利用的各种形式的能最终都转化成____流散到周围的环境中。2．能量耗散根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能____________驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。3．能源：是指具有______的容易利用的储能物质。水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石头制成，分上下两片，呈圆形。流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了磨盘和粮食等的内能。【问题】(1)分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？(2)这些内能最终流散到周围的环境中，但我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用，可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？如何正确理解能量耗散和品质降低1．各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能全部驱动机器做功了。2．从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，所以要节约能源。3．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发的宏观过程具有方向性。【典例3】(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是()A．能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律B．能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用C．各种形式的能量向内能的转化，一定条件下，是能够自动全额发生的D．能量耗散导致能量品质的降低思路点拨：(1)能量转化与转移是守恒的。(2)能量耗散使品质降低，不好利用。[听课记录]能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量转化的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性。[跟进训练]3．下列说法正确的是()A．自然界的能量的总和是守恒的，所以节约能源是毫无意义的B．电源是通过静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置C．电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的D．能量耗散表明自然界的能量总和在不断减少1．下列说法正确的是()A．电动机是把电能全部转化为机械能的装置B．热机是将内能全部转化为机械能的装置C．随着技术不断发展，可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能D．虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用2．(多选)下列哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律()A．打开一杯热茶的杯盖后，茶会自动变得更热B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体3．对于永动机的认识，下列说法正确的是()A．第一类永动机和第二类永动机都违背了能量守恒定律，所以都不可能制成B．第一类永动机违背了