2020学年高中物理 第十章 热力学定律 4 热力学第二定律素材 新人教版选修3-3

2020学年高中物理 第十章 热力学定律 4 热力学第二定律素材 新人教版选修3-3

‎4　热力学第二定律 ‎ 教学建议 教学中要注意引导学生从熟悉的实例出发,思考自然界宏观过程中的可逆过程与不可逆过程。我们还可以通过一些演示实验来增强学生的感性认识,比如打开课前准备好的一小瓶香水的瓶盖,不一会儿,教室里的同学都闻到了香味儿。也可以让学生进行小组讨论、代表汇报结果,列举他们认识到的不可逆过程,及时指出其中的可能错误,帮助学生准确把握和认识不可逆过程。这些过程都不违背热力学第一定律,但却是不可逆的。热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现。热力学第二定律是关于在有限空间和时间内,一切和热运动有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结,它遵守能量守恒定律。热力学第一定律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。热力学第二定律阐明了过程进行的方向性,从而否定了第二类永动机。热力学第一定律和热力学第二定律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。‎ 参考资料 热力学第二定律的建立 热力学第二定律是在热力学第一定律建立后不久建立起来的,它的建立与19世纪20年代卡诺对于热机的研究有着密切的关系。卡诺在探索提高热机效率的研究工作中,抓住了热机的本质,撇开了各种次要因素,抽象出一个 仅仅工作于一个高温热源和一个低温热源(冷源)间的理想热机(卡诺热机),他把这样一个热机比拟为水轮机:“我们可以足够确切地把热的动力比之于瀑布……瀑布的动力取决于液体的高度和液体的量;而热的动力同样取决于所用热质的量以及热质的‘下落高度’,即交换热质的两物体之间的温度差。”卡诺所处的时代正是热质说占统治地位的时代,卡诺的这段话也是热质说的反映。现在看起来当然是不对的,但是他得到的结论却是正确的:“单独提供热不足以给出推动力,还必须要冷。没有冷,热将是无用的。”他已经接触到了热力学第二定律的边缘。‎ 英国物理学家开尔文在研究卡诺和焦耳的工作时,发现了某种不和谐:按照能量守恒定律,热和功应该是等价的,可是按照卡诺的理论,热和功并不是完全相同的,因为功可以完全变成热而不需要任何条件,而热产生功却必须伴随有热向冷的耗散。他在1849年的一篇论文中说:“热的理论需要进行认真改革,必须寻找新的实验事实。”同时代的克劳修斯也认真研究了这些问题,他敏锐地看到了不和谐存在于卡诺理论的内部。他指出卡诺理论中关于热产生功必须伴随着热向冷的传递的结论是正确的,而热的量(即热质)不发生变化则是不对的。克劳修斯在1850年发表的论文中提出,在热的理论中,除了能量守恒定律以外,还必须补充另外一条基本定律:“没有某种动力的消耗或其他变化,不可能使热从低温转移到高温。”这条定律后来被称作热力学第二定律。克劳修斯的表述在现代教科书中一般表述为:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。‎