3.4 热力学第二定律 课件（27张PPT）

(共27张PPT)
4 热力学第二定律
第三章 热力学定律
学习目标
1.了解热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。知道具有方向性的过程为不可逆的。
2.了解热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功。
3.能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题,并能解决一些实际问题。
4.了解能量耗散、能源和环境。
知识梳理
1．可逆与不可逆过程(热传导的方向性)
热传导的过程可以自发地由________物体向________物体进行，但相反方向却不能__________进行，即热传导具有________性，是一个不可逆过程。
2．热力学第二定律的一种表述(克劳修斯表述)
热量不能自发地从________物体传递到________物体。
3．热力学第二定律的一种表述(开尔文表述)
不可能从 吸收热量，使之完全变成____，而不产生其他影响。
高温
低温
自发地
方向
低温
高温
单一热库
功
5.能量耗散
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有 。根据热力学第二定律，分散在环境中的内能 起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
6.能量品质的降低
能源是指具有 的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的 下降了。
方向性
不能自动聚集
高品质
品质
4．热力学第二定律的其他描述
(1)一切宏观自然过程的进行都具有_______。
(2)气体向真空的自由膨胀是________的。
方向性
不可逆
7.熵：熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在 。
8.熵增加原理：在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不 的。
增加
减少
自我检测
1.判断
1.热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。 ( )
2.科技发达后，热机的效率可以达到100%。 ( )
3.机械能可以全部转化为内能，而内能不能自发地全部转化为机械能。 ( )
4.各种形式的能量向内能的转化，是能够自动发生的。 ( )
5.能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。 ( )
6.能量耗散使能量的总量减少，违背了能量守恒定律。 ( )
7.根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的。 ( )

√

√
√

√
2.在研究性学习的过程中，同学们提出了以下四个活动方案，哪些从理论上讲是可行的(　　)
A.将散失在周围环境中的内能全部收回再利用
B.发明一种制冷设备，使温度降至绝对零度
C.汽车尾气中各类有害气体排入大气后发生扩散现象严重污染了空气，使它们自发地聚在一起，既清洁了空气，又变废为宝
D.在房屋顶部盖上太阳能板，可用太阳能来解决照明和热水问题
解析：系统的内能流失到周围环境中，想要全部收回再利用只能消耗更多能源，A错；温度不能无限降低，绝对零度不可能达到，B错；扩散现象具有方向性，逆过程不可能自发进行，C错；太阳能可以用来发电和进行加热，D正确。
D
3.(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是(　　)
A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
B.没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的
C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化
D.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
解析热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A选项正确，B选项错误；热传递过程具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传给高温物体，必然要引起其他变化，故C选项错误，D选项正确。
答案：AD
4.“能源危机”是当今世界各国共同面临的问题。对此，以下措施可行的是(　　)
A.人人都要自觉做到节约用水、节约用电，不浪费和人为毁坏物品
B.关闭所有的火力发电站
C.各地都要兴建水力和风力发电站
D.立即停止使用石油资源，改为使用核能和太阳能
解析：受地域环境的限制，风力、水力发电站不能在各地兴建，因而不能关闭所有的火力发电站，故B、C错误。受技术限制，核能和太阳能尚不能完全替代石油资源，故D错误。A选项说法正确。
A
合作学习
情景 河水只能从高处流向低处，“奔流到海不复回”，不会自动地从低处流向高处。成语“覆水难收”指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中的。下落的石头也不会把内能自动转化为动能，使自己重新飞上天去。
(1)这些现象说明什么道理
(2)能否使这些现象逆向进行
(3)传热的方向性能否简单理解为
“热量不会从低温物体传给高温物体”
一、对热力学第二定律的理解
提示：
(1)这些现象说明自然界的宏观过程不可能自动地逆向进行。
(2)可以使这些现象逆向进行，但不是自发地，必须有第三者的介入。
(3)不能。能够实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。
1.对热力学第二定律的几点理解
(1)克劳修斯表述中“自发”二字指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传向另一个物体。当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。
(2)热量可以自发地从高温物体传向低温物体，却不能自发地从低温物体传向高温物体。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。
(3)开尔文表述中的“不可能从单一热库吸收热量”，意思是：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。“其他影响”指的是：不是不能从单一热库吸收热量全部用来做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响；同样，热量也不是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传热是不可能的。
定律 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表现，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 热力学第二定律是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的宏观自然过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机
联系 两者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.热力学第二定律与第一定律的比较
3.热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文表述的对比
项目 克劳修斯表述 开尔文表述
作用 阐述了传热的方向性；传热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，这是一个不可逆过程 阐述了机械能与内能转化的方向性。机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化成机械能
等价性和实质 如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。不管如何表述，热力学第二定律的实质都是相同的，即一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 举例 ①传热过程的方向性 ②扩散现象的方向性 ③机械能和内能转化的方向性 ④气体向真空中自由膨胀的方向性 ⑤电能和内能转化的方向性 例1：根据热力学定律，下列判断正确的是(　　)
A.空调可以制冷说明热量可以自发地从低温物体传到高温物体
B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的
C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气，而不引起其他变化
D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行
解析：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，A错；由热力学第二定律可知，B正确；热量从低温物体传给高温物体时一定会引起其他变化，C错；只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的，D错。
B
2.第二类永动机
问题1：如图所示为国内某柴油机厂所产的单缸柴油机，图中上方部分为水箱，热机工作时，内能可以全部转化为机械能吗 为什么 水箱所起的作用是什么
提示：柴油机工作时水箱所起的作用是作为低温热库给热机快速降温，在内能向机械能转化的过程中，内能有一部分转移到低温热库，不可能全部转化为机械能。
问题2：我们把“从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的热机称为第二类永动机”，如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气、没有摩擦，是不是就能制成第二类永动机
提示：不能。即使没有摩擦、没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，例如汽车排出气体的温度一定会比空气的温度高，它会向空气散热。所以说第二类永动机是不可能制成的。
1.热机
(1)热机：热机是把内能转化成机械能的一种装置。
如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。
(2)热机的工作原理。
工作物质从热库吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中。根据能量守恒定律有Q1=W+Q2。
(3)热机的效率。
把热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η= 。因为Q1=W+Q2，所以Q1>W，η<1。
2.两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
设计要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，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(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)
不可能制 成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
例2 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.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
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，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
解析根据所学的热机知识可知选项A正确。第二类永动机不违反能量守恒定律，但是违反热力学第二定律，所以选项B错误。机械能可以全部转化为内能，内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能，选项C错误，选项D正确。
AD
随堂练习
1.下列说法正确的是 ( )
A．在自然条件下，热传递的过程是不可逆的
B．热量不可能由高温物体传递给低温物体
C．气体的扩散过程具有方向性
D．一切形式能量转化都不具有方向性
AC
2.关于热现象和热学规律，下列说法正确的是 (　 )
A．只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，就可以算出每个气体分子的体积
B．一定质量的理想气体温度升高，产生的压强一定增大
C．温度一定时，悬浮在液体中的固体颗粒越大，布朗运动越明显
D．第二类永动机不可能制成是因为它违反了热力学第二定律
D
3.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
C
4.热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　)
A.能量耗散不符合热力学第一定律
B.能量耗散不符合热力学第二定律
C.能量耗散过程中能量不守恒
D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的与热现象有关的宏观过程具有方向性
D
THANKS
谢谢聆听