2018-2019學年高中物理 第十章 熱力學定律 第4節(jié) 熱力學第二定律課件 新人教版選修3-3.ppt

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第4節(jié)熱力學第二定律,[學習目標]1．了解熱傳遞、擴散現(xiàn)象、機械能與內能的轉化等都具有方向性。知道具有方向性的過程為不可逆的。2．了解熱力學第二定律的兩種表述，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制造成功的原因。3．能用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移及方向性問題。4．嘗試運用熱力學第二定律解決一些實際問題。,一、熱力學第二定律的一種表述1．熱傳導的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是_________。2．克勞修斯表述：德國物理學家克勞修斯在1850年提出：熱量不能自發(fā)地從_____物體傳到____物體。熱力學第二定律的克勞修斯表述，闡述的是傳熱的________。,不可逆的,低溫,高溫,方向性,自主思考——判一判1．(1)一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。()(2)熱量不會從低溫物體傳給高溫物體。()(3)由冰箱能自發(fā)地把熱量從低溫物體傳給高溫物體。(),√,,,二、熱力學第二定律的另一種表述1．熱機(1)熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的_______變成工作物質的____。第二個階段是工作物質對外___，把自己的內能變成______。(2)熱機的效率：熱機輸出的_________與燃料產(chǎn)生的______的比值。用公式表示為,2．開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之___________，而不產(chǎn)生其他影響。(該表述闡述了機械能與內能轉化的方向性),化學能,內能,做功,機械能,機械功W,熱量Q,完全變成功,3．熱力學第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進行都具有_______。(2)氣體向真空的自由膨脹是_______的。(3)第二類永動機是不可能制成的。4．第二類永動機(1)定義：只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C。,方向性,不可逆,(2)第二類永動機不可能制成的原因：雖然第二類永動機不違反_____________，但大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱庫，熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫熱庫。自主思考——判一判2．(1)可以從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Α?)(2)第二類永動機違背了能量守恒定律。()(3)第二類永動機違背了熱力學第二定律。(),能量守恒定律,√,,√,制冷機是使熱量從低溫物體傳到高溫物體的裝置，通過制冷機的工作可以使一定空間內的物體溫度低于環(huán)境溫度并維持低溫狀態(tài)。夏天，將房間內一臺正在工作的電冰箱的門打開，試分析這是否可以降低室內的平均溫度？為什么？提示不會降低室內的平均溫度。若將一臺正在工作的電冰箱的門打開，盡管可以不斷向室內釋放冷氣，但同時冰箱的箱體向室內散熱，就整個房間來說，由于外界通過導線不斷有能量輸入，室內的平均溫度會不斷升高。,考點一熱力學第二定律1．對熱力學第二定律的理解在熱力學第二定律的表述中，正確地理解“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的確切含義是理解熱力學第二定律的關鍵所在。(1)“自發(fā)地”過程就是不受外來干擾進行的自然過程，如重物下落、植物的開花結果等都是自然界客觀存在的一些過程，它不受外界干擾。在熱傳遞過程中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。,要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“對外界的影響或有外界的幫助”，就是要有外界對其做功才能完成。電冰箱就是一例，它是靠電流做功的幫助把熱量從低溫處“搬”到高溫處的。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2．熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。,3．對熱力學第二定律的兩種表述等價性的證明兩種表述是等價的，即一個說法是正確的，另一個說法也必然是正確的；如一個說法是錯誤的，另一個說法必然是不成立的。下面給出證明：設表述(1)不成立，低溫熱庫T2可以自發(fā)地向高溫熱庫T1傳遞熱量Q2，如圖10－4－1所示。那么，我們可在高溫熱庫T1和低溫熱庫T2之間設置一熱機，使它從高溫熱庫吸收熱量Q1，對外做功W，并把熱量Q2傳遞給低溫熱庫。當這一過程完成之時，低溫熱庫由于吸熱和放熱相等，沒有引起其他變化。,高溫熱庫放出熱量Q1大于吸收熱量Q2，熱機對外做功W＝Q1－Q2，相當于高溫熱庫放出的熱量全部用來對外做功，且沒有引起其他變化，也就是說單一熱庫所放出的熱量全部用來做功。這顯然是違反表述(2)的，即凡違反表達(1)的說法，必然違反表述(2)。反之，也可以證明，凡違反表述(2)的，也必然違反表述(1)。,圖10－4－1,[例1]隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺問題日顯突出。近期油價不斷攀升，已對各國人民的日常生活造成了各種影響，如排長隊等待加油的情景已經(jīng)多次在世界各地發(fā)生。能源成為困擾世界經(jīng)濟發(fā)展的重大難題之一。下列有關能量轉化的說法中正確的是A．不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他的變化B．只要對內燃機不斷改進，就可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能C．滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)地進行D．外界對物體做功，物體的內能必然增加,【審題指導】解答此題時應注意以下三點：(1)注意熱力學第二定律的克勞修斯表述及開爾文表述的完整性，不能斷章取義。(2)熱力學第一定律與熱力學第二定律的區(qū)別與聯(lián)系。(3)內能改變的兩種方式。,【解析】由熱力學第二定律的開爾文表述可知A對；熱機效率總低于100%，B錯；滿足能量守恒的物理過程未必能自發(fā)進行，任何過程一定滿足熱力學第二定律，C錯；由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，W＞0，ΔU不一定大于0，即內能不一定增加，D錯?！敬鸢浮緼,名師點撥熱力學第二定律的理解(1)理解熱力學第二定律的實質，即自然界中進行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過程都具有方向性。(2)理解的關鍵在于“自發(fā)”和“不產(chǎn)生其他影響”。,1．對熱力學第二定律的理解，下列說法正確的是A．熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體B．外界對物體做功，物體的內能必定增加C．第二類永動機不可能制成，是因為違反了能量守恒定律D．不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化,,解析根據(jù)熱力學第二定律，熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體，但在一定條件下，熱量可以由低溫物體傳遞到高溫物體，例如電冰箱的工作過程，故選項A錯誤；根據(jù)熱力學第一定律，物體內能的變化取決于吸收或放出的熱量和做功的正負兩個因素，所以選項B錯誤；第二類永動機不違反能量守恒定律，而違反了熱力學第二定律，選項C錯誤；選項D是熱力學第二定律的表述形式之一，是正確的。答案D,2．(多選)下列關于熱傳導的說法中，正確的是A．熱量只能從高溫物體流向低溫物體，而不能從低溫物體流向高溫物體B．熱量可以從低溫物體傳遞給高溫物體C．熱量可以有條件地從低溫物體傳遞給高溫物體，只要低溫物體內能足夠大D．熱量可以有條件地從低溫物體流向高溫物體，條件是外界必須做功,解析克勞修斯表述并沒有排除熱量由低溫物體流向高溫物體A錯；說法B比較籠統(tǒng)，但并無錯誤；說法C對條件的解釋有錯誤，熱量的流向與物體內能無直接關系，C錯。說法D正確。答案BD,考點二第二類永動機1．熱機(1)熱機：熱機是把內能轉化成機械能的一種裝置。如蒸汽機把水蒸氣的內能轉化為機械能；內燃機是把燃燒后的高溫高壓氣體的內能轉化為機械能。(2)熱機的工作原理。工作物質從熱庫吸收熱量Q1，推動活塞做功W，然后排出廢氣，同時把熱量Q2散發(fā)到冷凝器或大氣中。根據(jù)能量守恒有Q1＝W＋Q2。,③因熱機工作時，總要向冷凝器散熱，不可避免地要釋放一部分熱量Q2，所以總有Q1＞W(wǎng)。④熱機的效率不可能達到100%，即使是理想熱機，沒有摩擦，也沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉化為機械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。2．第二類永動機(1)第二類永動機。只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C。(2)第二類永動機不可能制成。,這類機器雖然不違背能量守恒定律，但因為機械能和內能的轉化過程是有方向性的，熱機工作時從高溫熱庫吸收的熱量Q，只有一部分用來做功W，轉變?yōu)闄C械能，另一部分熱量要排放給低溫熱庫。也就是說，熱機在工作過程中必然排出部分熱量，熱機用于做機械功的熱量僅是它從高溫熱庫吸收熱量的一部分，絕不會是全部，所以第二類永動機是不可能制成的。從上面的分析可知，即使沒有任何漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失，也總有W＜Q，所以熱機的效率總達不到100%，汽車發(fā)動機的效率一般在20%～30%，燃氣輪機的效率較高，可達60%左右。(3)熱力學第二定律還可表述為第二類永動機不可能制成。,3．兩類永動機的比較,[例2](多選)關于第二類永動機，下列說法正確的是A．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機的叫作第二類永動機B．第二類永動機違反了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉化為內能，內能卻不可能全部轉化為機械能D．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉化為內能，內能卻不可能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化,【解析】根據(jù)第二類永動機的定義可知選項A正確。第二類永動機不違反能量守恒定律，但是違反熱力學第二定律，所以選項B錯誤。機械能可以全部轉化為內能，內能在引起其他變化時可能全部轉化為機械能，選項C錯誤，選項D正確?！敬鸢浮緼D,名師點撥雖然第二類永動機不違反能量守恒定律，但大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱源，熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓Γ筒豢杀苊獾貙⒁徊糠譄崃總鹘o低溫熱源。所以第二類永動機不可能制成，因為它違背了熱力學第二定律。,3．下列說法正確的是A．第二類永動機違背了能量守恒定律B．第二類永動機違背了熱力學第二定律C．根據(jù)能量守恒定律，經(jīng)過不斷的技術改造，熱機的效率有可能達到100%D．電冰箱和空調機工作時，熱量從低溫熱源傳到高溫熱源，違背了熱力學第二定律,解析第二類永動機沒有違背能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律，A錯誤，B正確；熱機的效率永遠小于100%，因為要向低溫熱源散熱，C錯誤；電冰箱和空調機工作時，是通過壓縮機做功，來實現(xiàn)熱量從低溫熱源到高溫熱源的傳遞，所以并沒有違背熱力學第二定律，D錯誤。答案B,4．汽車內燃機汽缸內汽油燃燒時，氣體體積膨脹推動活塞對外做功。已知在某次對外做功的沖程中，汽油燃燒釋放的化學能為1103J，因尾氣排放、汽缸發(fā)熱等對外散失的熱量為8102J。該內燃機的效率為______。隨著科技的進步，可設法減少熱量的損失，則內燃機的效率能不斷提高，其效率______(選填“有可能”或“仍不可能”)達到100%。,答案20%仍不可能,