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热力学第二定律
教学目标
尝试运用热力学第二定律解决一些实际问题,培养将物理
知识应用于现实生活的能力。
能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以
及方向性问题。
通过自然界中热传导的方向性等实例,初步了解热力学第
二定律,并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制
造成功的原因。
教学重点
热力学第二定律内容的理解及所反映出的热现象的宏观过
程的方向性。
热力学第二定律的实质,定律的两种不同表述。
第二类永动机,以及它不能制成的原因。
热力学第二定律的物理实质。
教学难点
前情回顾
能量守恒定律的内容是什么?
能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种
形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物
体;在转化和转移过程中其总量不变,这就是能量守恒
定律。
覆水难收
君不见黄河之水天上来
奔流到海不复回
大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性?
在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的。?
满足能量守恒的过程是否都能实现呢?
热量自发地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的。?
可能发生这样的逆过程吗?
扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。
可能发生这样的逆过程吗?
功可以自动转化为热,但热却不能自动转化为功。通过摩擦而使功转变为热的过程是不可逆的。
可能发生这样的逆过程吗?
气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。
可能发生这样的逆过程吗?
无数事实告诉我们:凡是实际的过程,只要涉及热现象,如热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动…都有特定方向。
也就是说,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
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。?
一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
理解宏观过程都是有方向性的。?
理解并掌握热力学第二定律。?
热力学第二定律的克劳修斯表述
克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。?
某种变化有自动发生的趋势,一旦发生就无需借助外力,可以自动进行,这种变化称为自发变化。
自发变化的共同特征—不可逆性任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。
高温
低温
自发
低温
高温
自发
克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。?
热力学第二定律
电冰箱工作时,热量从低温物体传到高温物体,且其内部温度比外部温度低,它违反热力学第二定律吗?
因为电冰箱消耗了电能,对制冷系统做了功,一旦切断电源,电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反,外界的热量会自发地传给电冰箱,使其温度逐渐升高。?
电源?
热量
热量
电冰箱制冷系统
大气
贮藏的食品
做功
热力学第二定律
?
?
?
热传导的方向性
①热传导的过程是有方向性的,这个过程可以向一个方向
自发地进行,但是向相反的方向却不能自发地进行。
②要实现相反方向的过程,必须借助外界的帮助,因而产
生其它影响或引起其它变化。
热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。?
热力学第二定律
热传导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”?
不能。“自发地”是指没有第三者的影响,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。
热力学第二定律
一个在水平地面上的物体,由于克服摩擦力做功,最后要停下来。在这个过程中,物体的动能转化成为内能,使物体和地面的温度升高。
我们能不能看到这样的现象:一个放在水平地面上的物体,靠降低温度,可以把内能自发地转化为动能,使这个物体运动起来。?
理解并掌握热力学第二定律的开尔文表述。??
理解开尔文表述和克劳修斯表述是等价的。?
热力学第二定律的开尔文表述
热机:是一种把内能转化为机械能的装置。
(汽油机、柴油机、蒸汽轮机、喷气发动机等)
机械能与内能转化的方向性
柴
油
机
四
冲
程
①吸气冲程
②压缩冲程
③做功冲程
④排气冲程
机械能与内能转化的方向性
热机工作原理和过程:
一阶段:??
二阶段:推动活塞对外做功
W—(工作物质内能变成机械能)。?
机械能与内能转化的方向性
燃料产生的热量Q
输出机械功W
漏气热损
散热热损
摩擦热损
热机能流图
热机工作时的能流分配
热机的效率小于100%,就不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为机械能,总有一部分热量散发到冷凝器或大气中。
热转换为功的过程也是不可逆的,具有方向性。?
对外做功
机械能与内能转化的方向性
热机
高温热库
W
低温热库
开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。
开尔文表述揭示机械能与内能转化方向性
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换成机械能。
热力学第二定律的另一种表述
例如,利用热机循环,吸热可对外作出功来。但实际热机的循环除了热变功外,还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源,即产生了其它效果。
热全部变为功的过程也是有的,如,理想气体等温膨胀。但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外,还引起了其它变化,即过程结束时,气体的体积增大了。
开尔文表述:
不可能从单一热库吸取热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。
如何理解单一热库?
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。
据报道,有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
热力学第二定律的另一种表述
开尔文表述:
不可从能单一热库吸取热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。
如何理解其他影响?
指除了从单一热库吸收的热量,以及所做的功以外的其他一切影响?
或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热传递是不可能的。
热力学第二定律的另一种表述
开尔文表述:
不可能从单一热库吸取热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。
适用条件:只能适用于由很大数目分子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。?
热力学第二定律的另一种表述
开尔文表述:
不可能从单一热库吸取热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。
如何理解“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。
热力学第二定律的另一种表述
热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系?
克劳修斯表述:不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化(即热量不会自发地从低温物体传到高温物体)。
开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。
热力学第二定律的反思
热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系?
???
①两种表述是等价的
可以从一种表述导出另一种表述,两种表述都称为热力学第二定律。
②对任何一类宏观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:气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
热力学第二定律的反思
热力学第二定律的意义?
提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性,是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。?
不管如何表述,热力学第二定律的实质在于揭示了:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
热力学第二定律的意义
根据热力学第二定律,下列说法中正确的是(????)
A.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。
B.热量能够从高温物体传到低温物体,也可能从低温物体传到高温物体。
C.机械能可以全部转化为内能,但内能不可能全部转化为机械能。
D.机械能可以全部转化为内能,内能也可能全部转化为机械能。
?
热力学第二定律的应用
BD
第二类永动机:?
人们把想象中能够从单一热源吸收热量,全部用来做功而不引起其它变化叫做第二类永动机。
热力学第二定律的另一种表述就是:第二类永动机不可能制成。?
第二类永动机
为什么第二类永动机不能制成?
机械能可以全部转化为内能,但内能不能在不引起其他变化的前提下全部转化成机械能。?
机械能和内能的转化过程具有方向性。?
第二类永动机不可能制成!
第二类永动机
对比第一类永动机和第二类永动机,你能得到什么启示?
它们都不可能制成。?
第一类永动机的设想违反了能量守恒定律;?
第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律,但违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律(热力学第二定律)。?
看一种热机设计方案是否可行,不仅要看是否遵守能量守恒定律,还要看是否满足热力学第二定律。
第二类永动机
归纳总结本节课学习的热学过程具有方向性的实例?
①热传导的方向性
②扩散现象有方向性
③能量转化有方向性
第二类永动机
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做第二类永动机
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
第二类永动机
AD
汽车行驶时,要消耗汽油。尽量详尽地说明:汽油燃烧时释放的化学能通过哪些途径最终转化成了周围环境的内能。
汽油燃烧时释放的化学能推动活塞做功的过程中,主要通过三个途径将化学能转化为内能:一是活塞与缸体间有摩擦,克服摩擦力做功,产生热量,缸体温度升高,内能增加,向周围空间散热。二是活塞压缩缸内气体做功,缸内气体温度升高,带动缸体温度升高,由于与周围环境的热交换转化为环境的内能。三是排气冲程中喷出的热气,会带走一部分热量。
问题与练习
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。
A.不可能。因为是“自动”过程,所以茶变热时的内能增量只能来源于周围环境,即周围环境中的热
量会自动地收集到茶中。所以,这是不可能发生的现象。
B.不可能。蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功,即热蒸汽推动活塞做功。这一过程中,一方面由
于活塞摩擦气缸而产生热能,另一方面热蒸汽与周围环境的温度差,蒸汽机会向周围环境散热。所以,
蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能是不可能的。
C.可能。浑水变清,泥沙下沉,重心下降,总的重力势能减少,最终转化为内能。而机械能百分百转
化成内能是可能的。
D.可能。冰箱通电后,消耗电能,将箱内低温物体的热量传到箱外。
问题与练习
问题与练习
小李想估测燃气灶烧水时的效率。他在开水壶里装了体积为
2.5L的水,测得烧水前的水温是15°C,水烧开后便停止加热。
烧水前后燃气表的示数如图所示。为了得出燃气灶烧水的效
率,他还要知道什么数据?请用字母表示相关数据,指出所
用的单位,列出计算效率的表达式。
克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。?
开尔文表述:
不可能从单一热库吸取热量,使之完全变成功,而不产生其
他影响。?
不管如何表述,热力学第二定律的实质在于揭示了:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
热力学第二定律的其他表述
①第二类永动机不可能制成
②气体向真空的自由膨胀时不可逆的
总结
例题
例题
例题
例题