人教版高中物理选修3-3 学案 第十章 热力学定律 第4节 Word版含解析

第4节　热力学第二定律
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，了解什么是热力学第二定律。
2．了解热力学第二定律的两种表述，以及两种表述的物理实质。
3．了解什么是第二类永动机，知道第二类永动机不能制成的原因。
4．能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及宏观自然过程的方向性问题。
一、热力学第二定律的两种表述
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
(1)热力学第二定律(概念)：反映宏观自然过程的方向性的定律。
(2)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即热传导的过程具有方向性。
2．热力学第二定律的开尔文表述
(1)热机
①热机工作的两个阶段
第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。
第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。
②热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示为η＝。
(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。即机械能与内能转化具有方向性。
(3)热力学第二定律的其他描述
①气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
②一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
(4)第二类永动机
①定义
只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化的热机。
②第二类永动机不可能制成
第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律。
二、热力学第一定律、热力学第二定律的比较及两类永动机的比较
1．热力学第二定律与热力学第一定律
(1)热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。热力学第一定律就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性。告诫人们：第一类永动机不可能制成。热力学第一定律只有一种表述形式。
(2)热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进而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。告诫人们：第二类永动机不可能制成。热力学第二定律有多种表述形式。
(3)两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。
2．两类永动机的比较
分类
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(或只有一个热库，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
判一判
(1)任何物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能的总和。(　　)
(2)满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行。(　　)
(3)将海水温度自动下降时释放的内能可以全部转化为机械能。(　　)
(4)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。(　　)
提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√

课堂任务　对热力学第二定律的理解
1．热力学第二定律克劳修斯表述阐述了热传递的方向性。其含义是热量从高温物体传递到低温物体是一个自发过程，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。“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助。如：重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它们不受外界干扰，这就是自发的过程。
2．热量也可以由低温物体传到高温物体，但这一定不是一个自发过程，这个过程必须有第三者的介入。
3．热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：通过做功，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而不产生其他影响。
4．热力学第二定律的实质：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
　热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，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。
例1　(多选)根据热力学第二定律，下列说法正确的是(　　)
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电能不可能全部转变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
[规范解答]　热力学第二定律指明了宏观热现象具有方向性，利用这一方向性特点进行分析。凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，根据热机工作原理，热机工作时从高温热库吸热，一部分对外做功，一部分产生热量排出，热机的机械效率总小于100%，故A正确。火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确。热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主要思想，故D正确。由电流热效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能，故B错误。
[完美答案]　ACD
对热力学第二定律的理解
(1)理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性。理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”。
(2)还要正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响。
　(多选)根据热力学第二定律，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
答案　AD
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界的帮助，因而引起其他变化，故A正确，B错误；热传导过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但要从低温物体传递到高温物体，必然引起其他变化(外界对系统做功)，故C错误，D正确。
课堂任务　热力学第二定律的应用
热力学第二定律应用时要注意的几个问题
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。
2．其他影响：指除了从单一热库吸收热量，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传热是不可能的。
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．适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。
5．两种表述是等价的
如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。
例2　关于第二类永动机的说法，正确的是(　　)
A．第二类永动机不可能制成，因为违反了能量守恒定律
B．第二类永动机不可能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性
C．第二类永动机不可能制成，因为同时违反了能量守恒定律和热力学第二定律
D．第二类永动机不可能制成，因为没有足够精细的制作工艺
[规范解答]　第二类永动机是一种热机，它希望能够从单一热源吸热全部用来做功而不引起其他任何变化，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，只有B正确。
[完美答案]　B
　关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是(　　)
A．将地球上所有海水的温度降低0.2 ℃，以放出大量的内能供人类使用
B．布朗运动是液体分子的运动，它说明液体分子永不停息地做无规则的运动
C．在热传递中，热量一定是从内能多的物体传向内能少的物体
D．在热传递中，热量自发地从温度高的物体传到温度低的物体
答案　D
解析　自然界一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、C错误；布朗运动不是液体分子的运动，而是固体颗粒的运动，B错误。故只有D正确。