10.4热力学第二定律

导入新课热量可以自发的从高温物体传向低温物体，它的逆过程不可自发的发生。注意•这里所说“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助，电冰箱工作时能将冰箱内(温度较低)的热量，传给外界空气(温度较高)，是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功。任何物体都具有内能，在地球上贮存量十分丰富的海水总质量约达1.4×1018吨，它的温度只要降低1℃，就能释放相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量，足够全世界使用4000年。而人类都不能利用这种“新能源”，究其原因，是因为涉及物理学的一个基本定律——热力学第二定律。扩散的逆过程不可能发生热力学第二定律教学目标•1.了解热传导过程的方向性。•2.了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。•3.了解热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质。•4.了解什么是能量耗散。知识能力过程方法通过实验和课件完成由感性到理性的认识，培养观察能力和分析能力。通过实际生活问题的解释，加深对热力学第二定律的理解。情感态度有参与实验总结规律的热情，从而能更方便的解决实际问题。在理解热力学第二定律时，注意方向性。再次体会学以致用，结合身边的例子发现生活中的物理知识。重点难点•重点：热力学第二定律的物理实质和两种常见的表述。•难点：两类永动机的区别，第二类永动机不可能制成的原因。内容解析1.可逆与不可逆过程1.热传导的方向性热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。2.说明：①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。②热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。③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”，就是要由外界对其做功才能完成。电冰箱、空调就是例子。热量会自动地从高温物体传给低温度物体热力学第二定律的两种表述①.克劳修斯表述按热传递的方向性来表述：不可能使热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。在①的讲法中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。②.开尔文表述不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。在②的讲法中指出，自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。热机能连续不断地将热变为机械功，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。热力学第二定律的意义在于提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。热机①热机：是一种把内能转化为机械能的装置。高温热库低温热库Q1Q2对外做功热机W②原理：燃料燃烧产生热量Q1（高温热源）推动活塞对外做功W排出废气向外界（低温热源）放热Q2③效率：由能量守恒定律知道Q1=W+Q2热机的效率1QW热机的效率小于100%，就不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为机械能，总有一部分热量散发到冷凝器中。第二类永动机第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源吸收热量，全部用来做功而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机。历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰·嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。第二类永动机不可能制成表示：机械能和内能的转化过程具有方向性．尽管机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化．第一类永动机和第二类永动机它们都不可能制成，第一类永动机的设想违反了能量守恒定律；第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律，但违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律。•1．能量耗散：流散的内能无法重新收集起来加以利用的现象叫做能量耗散。•2．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。能量耗散课堂小结热力学第二定律有常见的两种表述，提示了有大量分子参与的宏观过程(即与热现象有关的宏观过程)的方向性，第二类永动机不可能制成。(04天津)下列说法正确的是（）A．热量不能由低温物体传递到高温物体B．外界对物体做功，物体的内能必定增加C．第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律D．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化高考链接D（04广东）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．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的D课堂练习1．下列说法正确的是A．机械能全部变成内能是不可能的，内能全部变成机械能也是不可能的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．任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能，从单一热源吸收的热量全部变成功在一定条件下是可能的[精与解]热力学第二定律告诉我们：第二类永动机并不违背能量守恒定律，只是机械能和内能在相互转化的过程中具有方向性，机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能同时不引起其他变化．故A、B选项都不对。热量不可能从低温物体传到高温物体，在有外界做功的情况下是可能的。从单一热源吸热并全部转变成功，在有外界变化的情况下也是可能的，故C错D对。[解后思]热力学第二定律的两种表述：（1）热量不能自发地由低温物体传递到高温物体。（2）不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。这里的“不能”、“不可能”在一定条件下是可能的，空调、电冰箱都是通过外界做功使热量由低温物体传递到高温物体，但是这一过程消耗了额外的能量。同理，从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，必定要引起其他变化。分析热力学第二定律相关问题时要予以关注。2下列关于热现象的说法，正确的是（）A．外界对物体做功，物体的内能一定增加B．第二类永动机与第一类永动机一样违背了能量守恒定律C．任何条件下，热量都不会由低温物体传递到高温物体D．任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能D3关于第二类永动机，下列说法中正确的是()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，只违反热力学第二定律D．它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律C4第二类永动机不可以制成，是因为（）A.违背了能量的守恒定律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D[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，选项D正确。5.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度物体．BCD[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，所以选项B、C、D正确．6.试述热力学第一定律和热力学第二定律的区别与联系．解答：热力学第一定律指出了在任何热力学过程中，能量不会有任何增减或损失，对自然过程也没有限制；而热力学第二定律是解决了哪些过程可以发生。两个定律从不同角度揭示了热力学过程中遵从的规律，既相互独立，又相互补充，共同构成了热力学知识的理论基础。课后答案1.解：汽油燃烧时释放的化学能有的由于漏气而散失；有的使汽车的机体温度上升，然后又通过机体散失了；转化为机械能的那部分还要用于克服机械摩擦转化为内能。2.解答：A、B不能发生；C、D能发生。C不违背热力学第二定律，D违背热力学第二定律。3.解：他还要知道水的比热c，水的密度ρ，煤气的燃烧值q,煤气的密度ρ’，c表示比热，单位是J/kg·℃；ρ表示水的密度，单位是kg/m3；V表示水的体积，单位是m3；Δt表示温度的变化，单位是℃；q表示煤气的燃烧值，单位是J/kg；煤气的密度ρ/,单位是kg/m3；烧水前后煤气的体积V1、V2烧水的效率21'()cVtqVV