第4节 热力学第二定律
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1.了解热传导过程的方向性。
2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的物理实质。
3.了解什么是第二类永动机。
4.理解第二类永动机不可能制成。
诱思导学
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。
热量Q能自发传给
低温物体
高温物体
热量Q不能自发传给
(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。
2.热力学第二定律的两种表述
①.克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
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。
3.热机
热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2。
由能量守恒定律可得：
Q1=W+Q2
我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η=
4.第二类永动机
①.设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
②.第二类永动机不可能制成，表示尽 ( http: / / www.21cnjy.com )管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。
典例探究
例1 下列所述过程是可逆的，还是不可逆的？
A.气缸与活塞的组合内装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间没有摩擦，气体缓慢地膨胀时；
B.上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时；
C.上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时；
D.在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高；
E.在一传热容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，液体不停地搅动，可保持温度不变；
F.在一绝热容器内，不同温度的液体进行混合；
G.在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合；
解析：A.发生自由膨胀，则是不可逆的；
B.有摩擦发生，也是不可逆的；
C.是准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程。
D.这是做功变为热的过程，一定不可逆。
E.此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不可逆过程。
F.液体的扩散是不可逆过程。
G.有一定温度差的热传导是不可逆过程。
友情提示：注意分析可逆与不可逆满足的条件。
例2 一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率 ( http: / / www.21cnjy.com )1kW，制冷能力1.2×104kJ/h，制热能力1.3×104kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量。是指标错误还是能量不守恒？
解析：都不是。空调制冷、制 ( http: / / www.21cnjy.com )热靠压缩机做功，从室内（室外）吸收热量放到室外(室内)。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。
友情提示：本题注重考查对热力学第一定律，热力学第二定律的理解。
课后问题与练习点击
1.解：汽油燃烧时释放的 ( http: / / www.21cnjy.com )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
基础训练
1.下列关于能量转化的说法中，正确的是 （ ）
A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能
B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能
C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能
D.机械能可以转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
2.关于第二类永动机，下列说法正确的是 （ ）
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
3.下列关于热机的说法中，正确的是（ ）
A.热机是把内能转化成机械能的装置
B热机是把机械能转化为内能的装置.
C.只要对内燃机不断进行革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能
D.即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能
4.下列说法中正确的是（ ）
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违背能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的
C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D.一切物理过程都不可能自发地进行
5.第二类永动机不可能制造出来的原因是因其工作原理违背（ ）
A.热力学第一定律
B.能的转化与守恒定律
C.热力学第二定律
D.上述三个定律
6.热量会自发地从 物体传到 物体，而不能自发地从 物体传到 物体，这就是热传导的 性。
7.设想有这样一种热机，它没有冷凝器， ( http: / / www.21cnjy.com )只有第一热源，它从第一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它变化，设想中的这种热机叫 ，它 制成（填“能”或“不能”）
多维链接
1.自然界中，所有的宏观自发过程都具有单向性
在整个自然界中，无论有生命的或无生 ( http: / / www.21cnjy.com )命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程。如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，房屋衰朽倒塌，人的一生从婴儿到老年到死亡等等。
2.电冰箱与空调是让“热”由低温环境传递到高温环境。这是不是自发进行的？说明理由。
提示：不是自发进行的。这一过程是通过电流做功来实现的。因此“热”不能自发地从低温物体传给高温物体，而不引起其他变化。
3.课本P73“思考与讨论”
提示：这是因为宏观自然过程都具有一定的方向性，所以第二类永动机虽然不违背能量守恒定律，但它不会自然而然地发生，是不可能制成的。
1.解析：由能的转化和守恒定律及能量守恒 ( http: / / www.21cnjy.com )定律知各种形式的能量之间可以相互转化，但是内能在转化为机械能的过程中，由于内能的各种耗散，内能不会完全转化为机械能。故B、D正确。
答案：B D
2.解析：第二类永动机仍然遵循能量守恒定律，所以不违反热力学第一定律，但能量的转化和转移具有一定的方向性，它违反了热力学第二定律。故选C。
答案：C
3.解析：由热机的定义我们易判断A正 ( http: / / www.21cnjy.com )确；内燃机在工作时内能的损失有多种途径，所以内燃机不可能把气体的内能全部转化为机械能，D正确。故选A D
答案：A D
4.解析：由热力学第一定律和热力学第二定律易判断A C是正确的。
答案：A C
5.解析：由第二类永动机的特点易判断C是正确的。
答案：C
6.解析：由热传导的特点来进行分析即可。
答案：高温、低温、低温、高温、方向
7.解析：本题考察的是对第二类永动机的理解。
答案：第二类永动机 不能3、热力学第一定律 能量守恒定律
教学方法 讲授
教学目的 1.认识物质的运动形式有多种，对应不同运动形式的运动有不同形式的能，各种形式的能在一定条件下可以相互转化
2. 进一步掌握能的转化和守恒定律，并了解能的转化和守恒定律的意义
3．运用公式△U＝W＋Q分析有关问题并具体进行计算
教学重点 热力第一定律
教学难点 能量守恒
教 具 多媒体课件
教学过程
一、复习提问
问：物体做什么样的运动具有机械能？机械能转化和守恒定律的内容是什么？
二、新课教学
热力学第一定律
分析下列特殊情况：
①如果物体只与外有热交换，没有做功，外界传给物体4J热量物体的内能增加了多少？物体若向外界传出了4J热量，物体内能如何变化？
结论：在没有做功情况下，物体与外界间 ( http: / / www.21cnjy.com )传递热量Q，物体内能变化为 △U，则△U＝Q，为了在此表达式中能反映物体对外界是吸热不是放热，作出规定：吸热Q取正值，放热Q取负值，由此可知：物体吸热，内能增加，放热，内能减少。
②如果物体和外界不发生热交换，当外界对物体做了10J功，物体内能增加了多少？当物体对外做了10J功，物体内能又如何变化？
结论：在无热交换情况下，△U＝W（对外做功时，W取负值）
③如果物体内能在改变的过程中，既有热传递又有做功，例如外界对物体做了10J的功，同时物体吸收4J热量，物体的内能如何变化？
④又如，外界对物体做10J功，物体放热4J物体内能又如何变化？又物体对外界做了10J功，物体吸热4J，物体放热4J物体内能又如何变化？
综上所述：
在能的转化转移过程中，一个物体，如果没 ( http: / / www.21cnjy.com )有吸收热量也没有放出热量，那么外界对它做多少功它的内能就增加多少；如果它既没有对外做功，外界也没有对其做功，则它从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少。
用△U表示物体内能的增量，用Q表示吸收的热量，用W表示外界对物体所做的功，那么：△U＝Q＋W
上式就是热力学第一定律。
［例］一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J，外界对物体做了多少功？
解：根据热力学第一定律得，
W＝△U－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105J
2．能的转化
课件展示，举例说明物体的每一种运动形式都有一种对应的能
机械运动――机械能 热运动――内能
电荷运动――电能 化学运动――化学能
生物运动――生物能 原子核内部的运动――原子能
各种形式的能可以相互转化：
机械能中的动能和势能可互相转化（自由落体运动）
机械能可以与内能相互转化（摩擦生热，消耗了机械能通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做功把气体内能转化为机械能）
其它形式有能也可以转化为内能，如电流通过导体时，把电能转化为内能；炽热的灯丝发光，又把内能转化成光能；燃烧时，把化学能转化成内能）
3.能量守恒定律
内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能众一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移的过程中其总量不变。
4．永动机不可能制成
指导学生阅读课本P81第七自然段，讨论：第一类永动机是否真的能永远运动下去？
分析课本图11－11提供的一 ( http: / / www.21cnjy.com )种永动机的设计方案，指出它不可能持续运动的原因：虽然右边每个球的力矩大，但球的个数少，左边的每个球产生的力矩虽然小，但是球的个数多，于是轮子不会持续转动下去对外做功，只会摆动几下便停在图中所画的位置上。
通过课件展示历史上几种永动机的设计图，指出：不消耗能量的机器从来没有制成功过。
能量不能创生，工程技术的任务在于设法找出合理利用能源途径和减少能量损耗，而不是去研制永动机。
三、布置作业 P83 2、3热力学第二定律 同步练习
1．下列说法中正确的是 ( http: / / www.21cnjy.com ) （ ）
A，热量可以自发地从低温物体传给高温物体
B，内能不能转化为动能
C，摩擦生热是动能向内能的转化
D，热机的效率最多可以达到100％
2．下列说法正确的是 ( http: / / www.21cnjy.com ) （ ）
A．第二类永动机与第一类永动机一样违背了能量守恒定律
B．自然界中的能量是守恒的，所以能量永不枯竭，不必节约能源
C．自然界中有的能量便于利用，有的不便于利用
D．不可能让热量由低温物体传递给高温物体而不引起其它任何变化
3．下列说法中，正确的是 （ ）
a．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性
b．热量不可能由低温物体传给高温物体
c．气体的扩散过程具有方向性
d．.一切形式的能量间的相互转化都不具有方向性
4．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
5．下列关于热机的说法中，正确的是 （ ）
a.热机是把内能转化为机械能的装置
b.热机是把机械能转化为内能的装置
c.只要对内燃机不断进行革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能
d.即使没有漏气、也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能
6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，但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
7．以下哪些现象能够发生、哪些不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？
A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热．
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能
C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离
D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体
8．热机效率的含义是 ，表达式
9．试述热力学第一定律和热力学第二定律的区别与联系．
10．如图10-4-1所示，气缸内盛有一定 ( http: / / www.21cnjy.com )质量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏气．现通过活塞杆使活塞缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过对外做功，若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法中正确的是 （ ）
A．气体从单一热源吸热，并全部用来对外做功，因此该过程违反热力学第二定律
B．气体从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，所以该过程违反热力学第二定律
C．气体是从单一热源吸热，并全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律
D．以上三种说法都不对
11．等温膨胀时，理想气体所吸收的热量全部用来做功，这和热力学第二定律是否矛盾？为什么？
12．试根据热力学第二定律判断下列两种说法是否正确？
(1)功可以全部转换成热，但热不能全部转换为功．
(2)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．
参考答案
1．C 2．CD 3．C 4．ABCD 5．ad6．C7．AB不能发生CD能够发生但均不违背热力学第二定律．C中系统的势能减少了；D中消耗了电能8．热机对外做的功跟吸收的热量的比值， 9．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加或损失，对自然过程也没有任何限制，而热力学第二定律是解决了哪些过程可以发生。两者从不同的角度提示了热力学过程中遵循的规律，既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础10．C 11．不矛盾，因为引起了其它变化，那就是气体膨胀了．要恢复原状就必须对气体做功 12．(1)正确，(2)不正确，不能引起其它变化
杆
恒温
10-4-1
