2020--2021物理人教版选修3-3课件：10.4　热力学第二定律30张含答案

(共30张PPT)
选修3—3
10、4　热力学第二定律
一、宏观过程的方向性
1.温度不同的两个物体接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,但不会自发地从低温物体传给高温物体,这说明热传导的过程具有方向性。
2.无数事实告诉我们,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
二、热力学第二定律的表述
1.定义:在物理学中,反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
2.表述
(1)克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(该表述阐述的是热传递的方向性)
(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。(该表述阐述的是机械能与内能转化的方向性)
(3)其他表述:对任何一类宏观自然过程进行方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述。例如,热力学第二定律可以表述为气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
3.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与燃料燃烧产生的热量Q的比值叫作热机的效率,用公式可表述为
(1)热力学第二定律表明,所有的物理过程都具有方向性。(　　)
解析:热力学第二定律指出了所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性,并不是所有的物理过程都具有方向性。
答案:×
(2)只要对内燃机不断改进,就可以将内燃机得到的内能全部转化为机械能。
(　　)
解析:任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能,即热机效率总低于100%。
答案:×
(3)第二类永动机违反了能量守恒定律。
(　　)
解析:第二类永动机违反了热力学第二定律,并不违反能量守恒定律。
答案:×
自我检测
1.判断正误,对的画“√”,错的画“×”。
2.探究讨论。
(1)热传递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”?
答案:不能。“自发地”是指没有第三者影响,例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体,但是也产生了影响,即外界做了功。
(2)第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律,那么自然界中不违背能量守恒定律的事件是否都会发生?
答案:不一定。这是由于一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性。
探究一
探究二
热力学第二定律
问题探究
1.覆水难收;破镜难圆;水从高山流到河谷,不可能自己再返回高处;一滴墨水滴入一杯清水,会均匀地扩散开来,不可能再自动地凝成一滴墨水……这些现象说明什么道理?
要点提示自然界的宏观过程不可能自动地逆向进行。要使它们逆向进行,就必须由外界对它们施加作用。
探究一
探究二
2.制冷机是使热量从低温物体传到高温物体的装置,通过制冷机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。夏天,将房间内一台正在工作的电冰箱的门打开,试分析这是否可以降低室内的平均温度?为什么?
要点提示不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开,尽管可以不断向室内释放冷气,但同时冰箱的箱体向室内散热,就整个房间来说,由于外界通过导线不断有能量输入,室内的平均温度会不断升高。
探究一
探究二
3.一种冷暖两用型空调,铭牌标注:输入功率1
kW,制冷能力1.2×104
kJ/h,制热能力1.3×104
kJ/h。这样,该空调在制热时,每消耗1
J电能,将放出3
J多热量,请判断是指标错误还是能量不守恒?
要点提示都不是。空调制冷(制热)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窗外吸收的热量之和,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。
知识归纳
1.对热力学第二定律的理解
在热力学第二定律的表述中,正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。
(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程,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,它不受外界干扰。在热传递过程中,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“对外界的影响或有外界的帮助”,就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例,它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”到高温处的。
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。
探究一
探究二
探究一
探究二
2.热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,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。
探究一
探究二
3.对热力学第二定律的两种表述等价性的证明
两种表述是等价的,即一个说法是正确的,另一个说法也必然是正确的;如一个说法是错误的,另一个说法必然是不成立的。下面给出证明:
设表述(1)不成立,低温热库T2可以自发地向高温热库T1传递热量Q2,如图所示。
探究一
探究二
那么,我们可在高温热库T1和低温热库T2之间设置一热机,使它从高温热库吸收热量Q1,对外做功W,并把热量Q2传递给低温热库。当这一过程完成之时,低温热库由于吸热和放热相等,没有引起其他变化。高温热库放出热量Q1大于吸收热量Q2,热机对外做功W=Q1-Q2,相当于高温热库放出的热量全部用来对外做功,且没有引起其他变化,也就是说单一热库所放出的热量全部用来做功。这显然是违反表述(2)的,即凡违反表述(1)的说法,必然违反表述(2)。反之,也可以证明,凡违反表述(2)的,也必然违反表述(1)。
探究一
探究二
【例题1】
对热力学第二定律的理解,下列说法正确的是(　　)
A.热量不能由低温物体传递到高温物体
B.外界对物体做功,物体的内能必定增加
C.第二类永动机不可能制成,是因为违反了能量守恒定律
D.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化
【思考问题】
热力学第二定律的本质是什么?
提示自然界中与热现象有关的一切自发过程都有“方向性”,并且一切自发过程都是不可逆的。
探究一
探究二
解析:根据热力学第二定律,热量不能自发地由低温物体传递到高温物体,但在一定条件下,热量可以由低温物体传递到高温物体,例如电冰箱的工作过程,故选项A错误;根据热力学第一定律,物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素,所以选项B错误;第二类永动机不违反能量守恒定律,而违反了热力学第二定律,选项C错误;选项D是热力学第二定律的表述形式之一,是正确的。
答案:D
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自然过程都具有方向性。
(2)理解的关键在于“自发”和“不产生其他影响”。
探究一
探究二
变式训练1关于两类永动机和热力学两个规律,下列说法正确的是(　　)
A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,热传递也不一定改变内能,但同时做功和热传递一定会改变内能
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,从单一热源吸收热量,完全变成功也是可能的
解析:第一类永动机违反能量守恒定律,第二类永动机违反热力学第二定律,A、B项错误;由热力学第一定律可知W≠0,Q≠0,但ΔU=W+Q可以等于0,C项错误;由热力学第二定律可知D中现象是可能的,但不引起其他变化是不可能的,D项正确。
答案:D
探究一
探究二
第二类永动机
问题探究
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?
要点提示柴油机工作时水箱所起的作用是作为低温热库,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。
探究一
探究二
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,也没有热量损失,是不是就能制成第二类永动机?
要点提示不能。这是因为热机必须有热源和冷凝器,热机工作时,总要向冷凝器放热,不可避免地要由工作物质带走一部分热量,即使是理想热机,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,总要有一部分热量散发到冷凝器中。所以说第二类永动机是不可能制成的。
探究一
探究二
知识归纳
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。
根据能量守恒有Q1=W+Q2。
探究一
探究二
(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的比值叫做热机的效率,用η表示,
因为Q1=W+Q2,所以Q1>W,η<1。
这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能,总有一部分要散失到冷凝器或大气中。
(4)特别提示:①热机必须有热源和冷凝器。
②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。
③因热机工作时,总要向冷凝器散热,不可避免地要释放一部分热量Q2,所以总有Q1>W。
④热机的效率不可能达到100%,即使是理想热机,没有摩擦,也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,总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。
探究一
探究二
2.第二类永动机
(1)第二类永动机。
只从单一热库吸收热量,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。
这类机器虽然不违背能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的,热机工作时从高温热库吸收的热量Q,只有一部分用来做功W,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温热库。也就是说,热机在工作过程中必然排出部分热量,热机用于做机械功的热量仅是它从高温热库吸收热量的一部分,绝不会是全部,所以第二类永动机是不可能制成的。从上面的分析可知,即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失,也总有W(3)热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成。
探究一
探究二
3.两类永动机的比较
探究一
探究二
典例剖析
【例题2】
(多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是(　　)
A.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叫作第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成,说明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
D.第二类永动机不可能制成,说明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,同时不引起其他变化
探究一
探究二
解析:根据第二类永动机的定义可知选项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。
答案:AD
虽然第二类永动机不违反能量守恒定律,大量的事实证明,在任何情况下,热机都不可能只有一个热源,热机要不断地把吸取的热量变为有用的功,就不可避免地将一部分热量传给低温热源。所以第二类永动机不可能制成,因为它违背了热力学第二定律。
探究一
探究二
变式训练2汽车内燃机汽缸内汽油燃烧时,气体体积膨胀推动活塞对外做功。已知在某次对外做功的冲程中,汽油燃烧释放的化学能为1×103
J,因尾气排放、汽缸发热等对外散失的热量为8×102
J。该内燃机的效率为　　　　。随着科技的进步,可设法减少热量的损失,则内燃机的效率能不断提高,其效率　　　　(选填“有可能”或“仍不可能”)达到100%。?
解析:内燃机的效率:
=20%;内燃机的效率永远也达不到100%。
答案:20%　仍不可能
1
2
3
4
1.(多选)下列哪些现象能够发生,并且不违背热力学第二定律(　　)
A.常温下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
解析:选项A、B都违背了热力学第二定律,都不能发生。选项C中系统的势能减少了,选项D中消耗了电能,所以不违背热力学第二定律,均能发生。
答案:CD
1
2
3
4
2.
下列说法正确的是(　　)
A.一切形式的能量间的相互转化都具有方向性
B.热量不可能从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可逆性
解析:热力学第二定律反映了所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性,A、D两项错误;热量不是不能从低温物体传给高温物体,关键是会不会产生其他影响,B项错误;气体扩散过程具有方向性,C项正确。
答案:C
1
2
3
4
3.
下列说法正确的是(　　)
A.功可以完全转化为热量,而热量不可以完全转化为功
B.热机必须是具有两个热库,才能实现热功转化
C.热机的效率不可能大于1,但可能等于1
D.热机的效率必定小于1
解析:开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功,但必然要产生其他变化,比如气体等温膨胀,气体内能完全转化为功,但气体体积增大了,A项错误;开尔文表述指出,热机不可能只有单一热库,但未必就是两个热库,可以具有两个以上热库,B项错误;由
可知,只要Q2≠0,η≠1,如果Q2=0,则低温热库不存在,违背了开尔文表述,故C项错误、D项正确。
答案:D
1
2
3
4
4.(多选)关于热传导的方向性,下列说法正确的是
(　　)
A.热量能自发地由高温物体传给低温物体
B.热量能自发地由低温物体传给高温物体
C.在一定条件下,热量也可以从低温物体传给高温物体
D.热量一定不可能从低温物体传给高温物体
解析:在一定条件下,热量可以从低温物体传递给高温物体;而在自发的条件下,热量只能从高温物体传给低温物体,故A、C选项正确。
答案:AC