高中物理 2.32.4 热机的工作原理 热力学第二定律课件 新人教版选修12

1、三、热机的工作原理四、热力学第二定律,1.了解热传递以及自然界一切自动发生的宏观过程的方向性。 2.知道第二类永动机及其不可能制成的原因。 3.了解热力学第二定律的两种表述,初步认识热力学第二定律的物理意义。 4.体验建立热力学第二定律的过程中科学思辨的作用,培养运用分析论证进行理论概括的抽象思维能力。,一,二,一、热机 1.定义 通过燃烧使燃料中的化学能变成工作物质的内能,再消耗工作物质的内能而对外做功的动力机械。 2.分类 (1)蒸汽机和蒸汽轮机 蒸汽机的工作原理是:锅炉中的水受热变成水蒸气,水蒸气经管道e进入汽室d,通过滑动阀s控制,蒸汽轮流着从汽路e和汽路g进入汽缸,驱动活塞往复运动,

2、对外做功(如图甲所示); 蒸汽轮机利用压强高达数千万帕斯卡的高压水蒸气驱动叶轮,带动轮子旋转(如图乙所示)。,一,二,一,二,(2)内燃机和燃气轮机 汽车上的汽油机、柴油机,燃料在汽缸内燃烧,直接利用汽缸内生成的高温高压气体推动活塞做功,这样的热机叫作内燃机。 汽油机的工作循环过程包括吸气、压缩、做功和排气四个冲程(如下图所示)。 燃气轮机工作时,燃油被吸入燃烧室,燃烧后产生高温高压燃气,驱动涡轮旋转。,一,二,(3)制冷机 制冷机利用外界对它做的功,将待冷却物体中的热量取出,同时向高温物体排放。制冷的压缩机在电动机等的带动下做功,将蒸气状的制冷剂压入冷凝器(散热器),制冷剂在冷凝器(散热器)

3、液化,放出热量;液态的制冷剂进入蒸发区后,通过很细的管道后膨胀、汽化,这个过程中冷库的温度降低。其后再次进入压缩机,准备下一次循环过程(如图所示)。,一,二,3.自然过程的方向性 大量事实表明,自然界自动发生的实际过程,都有方向性,这就是自然过程的不可逆性。 热量不能从低温物体传递到高温物体,对吗? 提示:不对。热量能从低温物体传递到高温物体,但要消耗其他形式的能,也就是这个过程不能自发地进行。,一,二,随着科技的不断发展,假如能够使热机没有漏气没有摩擦也没有机体热量损失,是不是能够使热机效率达100%? 提示:不能。原因是热机的工作物质吸收的热量不能全部用来做功,如汽车尾气会带走一部分热量。

4、,一,二,二、热力学第二定律 表述一: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。这是按热传导的方向性来表述的。 表述二: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。这是按机械能与内能转化过程的方向性来表述的,它也可以表述为:不可能制成第二类永动机。,一,二,一、正确认识热机 热机的工作原理是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能。如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等。热机通常以气体作为传递能量的媒介物质,利用气体受热膨胀对外做功。热能的来源主要有燃料燃烧产生的内能、原子能、太阳能和地热等。 热机是利用内能来做功的机器。热机在人类生活中发挥着重要的作用

5、。现代化的交通运输工具都靠它提供动力。热机的应用和发展推动了社会的快速发展,也不可避免地损失部分能量,并对环境造成一定程度的污染。 热机种类很多,按传递能量的媒介物质接受燃料释放能量的方式,分为内燃机和外燃机。热机的发展史: 蒸汽机蒸汽轮机内燃机喷气发动机火箭发动机。,一,二,二、正确理解热力学第二定律 1.正确理解热力学第二定律的关键 在热力学第二定律的表述中,正确地理解“自发地”“不引起其他变化”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。 (1)“自发地”是指热量从高温热源自发地传给低温热源的方向性,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

6、义是指热量从低温热源传递到高温热源或从单一热源吸收热量全部用来做功,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。 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是有方向性的。,类型一,类型二,类型三,【例题1】 如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外,下列说法正确的是(),a.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 b.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界

7、,是因为其消耗了电能 c.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 d.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律,类型一,类型二,类型三,点拨:制冷系统把热量从低温物体传递到高温物体,同时要消耗电能。 解析:电冰箱工作时,热量从低温物体传递到高温物体,但不是自发进行的,因为压缩机工作时消耗了电能,而热力学第一定律适用于所有的热学过程,所以b、c正确,a、d错误。 答案:bc 题后反思热机工作的过程中,遵循能量守恒定律,即不违背热力学第一定律;热量不能自发地从低温物体传递到高温物体,即热机的工作进程也不违背热力学第二定律。,类型一,类型二,类型三,【例题2】 下列所述过程是可逆的,还是不可逆的? a.汽缸

8、与活塞的组合内装有气体,当活塞上没有外加压力,活塞与汽缸间没有摩擦,气体缓慢地膨胀时 b.上述装置,当活塞上没有外加压力,活塞与汽缸上摩擦很大,使气体缓慢地膨胀时 c.上述装置,没有摩擦,但调整外加压力,使气体能缓慢地膨胀时 d.在一绝热容器内盛有液体,不停地搅动它,使它温度升高 e.在一传热容器内盛有液体,容器放在一恒温的大水池内,不停地搅动液体,可保持温度不变 f.在一绝热容器内,不同温度的液体进行混合 g.在一绝热容器内,不同温度的氦气进行混合,类型一,类型二,类型三,点拨:一切与热现象相关的自发进行的过程都是不可逆的,具有方向性。 解析:a.发生自由膨胀,是不可逆的。 b.有摩擦发生,

9、也是不可逆的。 c.是准静态无摩擦的膨胀,则为可逆过程。 d.这是做功变为热的过程,一定不可逆。 e.此过程中既有“功变热”又有“热传导”,也是不可逆过程。 f.液体的扩散是不可逆过程。 g.有一定温度差的热传导是不可逆过程。 答案:见解析 题后反思注意分析可逆与不可逆满足的条件。,类型一,类型二,类型三,【例题3】 关于两类永动机和热力学两个定律,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

10、律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的 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。,类型一,类型二,类型三,解析: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w0,q0,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。 答案:d 题后反思虽然第二类永动机不违反能量守恒定律,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。所以第二类永动机不可能制成,因为它违背了热力学第二定律。,

11、1 2 3 4 5,1关于热机,下列说法错误的是() a.利用内能来做功的机器叫热机 b.蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机都叫热机 c.一切热机的工作过程都包括四个冲程 d.用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫作热机的效率 解析:并非所有热机的工作过程都包括四个冲程,所以c错误。 答案:c,1 2 3 4 5,2下列具有方向性的过程是() a.热传导过程 b.气体的扩散过程 c.机械能和内能的转化过程 d.气体向真空中膨胀的过程 答案:abcd,1 2 3 4 5,3关于第二类永动机,下列说法正确的是() a.它既不违反热力学第一定律,也不违反热力学第二定律 b.它既违反了热力学第一定律,也违反了热力学第二定律 c.它不违反热力学第一定律,却违反了热力学第二定律 d.它只违反热力学第一定律,不违反热力学第二定律 解析:第二类永动机仍然遵循能量守恒定律,所以不违反热力学第一定律,但能量的转化和转移具有一定的方向性,它违反了热力学第二定律。故选c。 答案:c,1 2 3 4 5,4蒸汽机是利用推动活塞往复运动,对外做功;利用压强高达数千帕斯卡的高压水蒸气做功。 答案:水蒸气蒸汽轮机,1 2 3 4 5,5一种冷暖两用型空调,铭牌标注:输入功率1 kw,制冷能