人教版高中物理选修3课件第10章 热力学定律-4热力学第二定律

人教版高中物理选修3课件第10章 热力学定律-4热力学第二定律

§4.热力学第二定律 § 一、热力学第二定律的一种表述 § 1．热传导的方向性 § (1)凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的 性；这些过程可以自发地朝某个 进行，而相反的过 程．即使不违背能量守恒定律，它们也不会 地进行． § (2)一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的． § 2．热力学第二定律的一种表述 § 热量不能 地从低温物体传到高温物体．这是热力学第二定 律的克劳修斯表述，阐述的是 的方向性． 方向 方向 自发 不可逆 自发 传热 § 二、热力学第二定律的另一种表述 § 1．热机 § (1)热机工作的两个阶段 § 第一个阶段是 ，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η＝ . 燃烧燃料 化学能 做功 机械能 机械功 热量 § 2．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．(即机械能与内能转化具有方向性)． 单一热源 § 一、热力学第二定律理解中的几个问题 § 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、高温物体得到相同的热 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，而是这样做的结果， 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 生其他影响的自动热传递是不可能的． § 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． § 4．两种表述是等价的 § 如果克劳修斯表达不成立，则开尔文表述也不 成立． § 5．热力学第二定律的实质 § 热力学第二定律的每一种描述，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． § 二、热力学第一、第二定律的比较及两类永动机的比较 § 1．热力学第一定律与热力学第二定律的比较 规律 区别 联系　　　 热力学第一定律 热力学第二定律 区别 热力学第一定律是能量守 恒定律在热力学中的体现， 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 热力学第二定律反映了 一切与热现象有关的宏 观自然过程都是不可逆 的，从而否定了第二类 永动机 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，二者相 互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 § 2.两类永动机的比较 比较项 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 不断地对外做功(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 § 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．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，传热也不一定改变内能，但同时做功和传 热一定会改变内能 § 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，从单一热源吸收热量， 完全变成功也是可能的 § 解析：　 § 答案：　D § 【反思总结】　第一类永动机违反能量守恒定律，第 二类永动机不违反能量守恒定律，但违反热力学第二 定律．热力学第一定律是能量守恒定律的一种具体形 式，而热力学第二定律反映的是热现象的方向性． § ◎ 教材资料分析 § 〔思考与讨论〕 § 地球上海水的总质量达1.4×1021 kg.如果把 这些海水的温度降低1 ℃，放出的热量就达 9×1018 kW·h，足够全世界使用4 000年．这 个设想不违背能量守恒定律，但是不能实现， 所以叫做第二类永动机．前面学到的，违背能 量守恒定律的永动机，叫做第一类永动机． § 学过热力学第二定律之后，你能说出为什么不 能制成第二类永动机吗？ § 【点拨】　虽然第二类永动机不违反能量 守恒定律，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． § 根据热力学第二定律分析，下列说法中正确的是(　 　) § A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传 到高温物体 § B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传 到高温物体 § C．机械能可以全部转化为内能，但变化的内能不可以全部转 化为机械能 § D．机械能可以全部转化为内能，变化的内能也可以全部转化 为机械能 § 解析： § 答案：　BD 选项 个性分析 A错误 根据传热的规律可知，热量可以自发地从高温物 体传到低温物体，但不能自发地(不需要外界帮助) 从低温物体传到高温物体。但是如果借助外界的 帮助．热量可以从低温物体传到高温物体 B正确 C错误 机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服 摩擦力做功而最终停止运动时，机械能全部转化 为内能)；在一定条件下，变化的内能也可以全部 转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中， 将吸收来的热量全部用来做功 D正确 § 【反思总结】　热量可以从高温物体传到 低温物体．也可以从低温物体传到高温物 体，只不过前者能自发地进行，后者必须 借助外界的帮助；机械能可以全部转化为 内能，而内能要全部转化为机械能，肯定 会引起其他变化 § 【跟踪发散】　1－1：关于永动机和热力学定 律的讨论，下列叙述正确的是(　　) § A．第二类永动机违反能量守恒定律 § B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内 能一定增加 § C．外界对物体做功，则物体的内能一定增加 § D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但 从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式 是有区别的 § 解析：　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，故A错．据热力学 第二定律ΔU＝Q＋W知内能的变化由做功W和 热传递Q两个方面共同决定，只知道做功情况 或只知道传热情况无法确定内能的变化情况， 故B、C项错误．做功和热传递都可改变物体 内能．但做功是不同形式能的转化，而热传递 是同种形式能间的转移，这两种方式是有区别 的，故D正确． § 答案：　D § 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，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 § 解析：　热力学第一定律是热现象中内能与其 他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律 的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正 确，D错误；再根据热力学第二定律，热量不 能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助 于其他系统做功．A错误，B正确，故选B、C. § 答案：　BC § 【跟踪发散】　2－1：关于热现象和热学规律， 下列说法中正确的是(　　) § A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐 渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率 100% § B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体 的 § C．第二类永动机遵守能量守恒定律故能制成 § D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功 2.0×105 J，同时空气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了0.5×105 J § 解析：　绝对零度不可能达到，A错误；由 热力学第二定律知，B、C错误；由热力学 第一定律知，D正确． § 答案：　D § 1．下列哪些物理过程具有方向性(　　) § A．热传导过程　　　　　　 § B．机械能和内能的转化过程 § C．气体的扩散过程 § D．气体向真空中膨胀的过程 § 解析：　一切与热现象有关的自然现象都具有 方向性，应选ABCD. § 答案：　ABCD § 2．关于热传导的方向性，下列说法正确的是(　 　) § A．热量只能由高温物体传给低温物体 § B．热量能自发地由低温物体传给高温物体 § C．在一定条件下，热量也可以从低温物体传 给高温物体 § D．热量一定不可能从低温物体传给高温物体 § 解析：　在有外力做功情况下，热量可以从低 温物体传递给高温物体，而热量只能自发地从 高温物体传给低温物体，故C选项正确． § 答案：　C § 3．关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) § A．在一定条件下物体的温度可以降到0 K § B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做 功 § C．吸收了热量的物体，其内能一定增加 § D．压缩气体总能使气体的温度升高 § 解析：　热力学零度，即我们所说的－273.15 ℃，这个温度只能无限接近而不能达到，A错； 由热力学第二定律知，物体不可能从单一热源 吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，换 句话说，在引起其他变化的情况下，物体可以 从单一热源吸收热量全部用来做功，所以B正 确；根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q知，改 变物体内能的方式是做功和热传递，所以物体 吸收了热量或对物体做功其内能都不一定增加， 故C、D错． § 答案：　B § 4．下列宏观过程能用热力学第二定律解释的 是(　　) § A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大 米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动 分开 § B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩 散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不 会自动分开 § C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降 低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来 § D．随着节能减排措施的不断完善，最终也不 会使汽车热机的效率达到100% § 解析：　热力学第二定律反映的是与热现 象有关的宏观过程的方向性的规律，A不属 于热现象，A错；由热力学第二定律可知B、 C、D正确． § 答案：　BCD § 5．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．其实，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 § 答案：　BCD § 6．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错 误的是(　　) § A．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的 进行 § D．外界对物体做功，物体的内能必然增加 § 解析：　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 ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即 内能不一定增加，D错． § 答案：　BCD § 7．(2011·大纲全国卷·14)关于一定量的气体， 下列叙述正确的是(　　) § A．气体吸收的热量可以完全转化为功 § B．气体体积增大时，其内能一定减少 § C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加 § D．外界对气体做功，气体内能可能减少 § 解析：　由热力学第二定律知，热量可以完全 转化为功，但要引起其他变化，A选项对．由 热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，改变物体内能 的两种方式是做功和热传递，B项只说明气体 对外做功，没有考虑热传递；C项只说明气体 从外界吸收热量，没有考虑做功情况，故B、 C选项均错，D选项对． § 答案：　AD § 8．如图所示是制冷机的工作原理图，试分 析每个过程中工作物质的内能改变情况和 引起改变的物理过程： § (1)工作物质的内能________，是________的过程； § (2)工作物质的内能________，是________的过程； § (3)工作物质的内能________，是________的过程． § 解析：　在(1)中电动机推动活塞，压缩气体，对气体做功， 内能增加，在(2)中，气体液化要放出热量，内能减小；在(3) 中，是工作物质的汽化过程，要吸收热量，内能增加． § 答案：　(1)增加　做功　(2)减小　放热　(3)增加　吸热