2019-2020學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 4 熱力學(xué)第二定律課件 新人教版選修3-3.ppt

4熱力學(xué)第二定律 一 宏觀過(guò)程的方向性1 溫度不同的兩個(gè)物體接觸時(shí) 熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 但不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體 這說(shuō)明熱傳導(dǎo)的過(guò)程具有方向性 2 無(wú)數(shù)事實(shí)告訴我們 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的 二 熱力學(xué)第二定律的表述1 定義 在物理學(xué)中 反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律 2 表述 1 克勞修斯表述 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 該表述闡述的是熱傳遞的方向性 2 開(kāi)爾文表述 不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量 使之完全變成功 而不產(chǎn)生其他影響 該表述闡述的是機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性 3 其他表述 對(duì)任何一類宏觀自然過(guò)程進(jìn)行方向的說(shuō)明 都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述 例如 熱力學(xué)第二定律可以表述為氣體向真空的自由膨脹是不可逆的 3 熱機(jī) 1 熱機(jī)工作的兩個(gè)階段 第一個(gè)階段是燃燒燃料 把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能 第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外做功 把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能 2 熱機(jī)的效率 熱機(jī)輸出的機(jī)械功W與燃料燃燒產(chǎn)生的熱量Q的比值叫作熱機(jī)的效率 用公式可表述為 1 熱力學(xué)第二定律表明 所有的物理過(guò)程都具有方向性 解析 熱力學(xué)第二定律指出了所有與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過(guò)程都具有方向性 并不是所有的物理過(guò)程都具有方向性 答案 2 只要對(duì)內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn) 就可以將內(nèi)燃機(jī)得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 解析 任何熱機(jī)都不可能使燃料釋放的熱量完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 即熱機(jī)效率總低于100 答案 3 第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律 解析 第二類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律 并不違反能量守恒定律 答案 自我檢測(cè)1 判斷正誤 對(duì)的畫 錯(cuò)的畫 2 探究討論 1 熱傳遞的方向性能否簡(jiǎn)單理解為 熱量不會(huì)從低溫物體傳給高溫物體 答案 不能 自發(fā)地 是指沒(méi)有第三者影響 例如空調(diào) 冰箱等制冷機(jī)就是把熱量從低溫物體傳到了高溫物體 但是也產(chǎn)生了影響 即外界做了功 2 第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是違背了能量守恒定律 那么自然界中不違背能量守恒定律的事件是否都會(huì)發(fā)生 答案 不一定 這是由于一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都具有方向性 探究一 探究二 熱力學(xué)第二定律問(wèn)題探究1 覆水難收 破鏡難圓 水從高山流到河谷 不可能自己再返回高處 一滴墨水滴入一杯清水 會(huì)均勻地?cái)U(kuò)散開(kāi)來(lái) 不可能再自動(dòng)地凝成一滴墨水 這些現(xiàn)象說(shuō)明什么道理 要點(diǎn)提示自然界的宏觀過(guò)程不可能自動(dòng)地逆向進(jìn)行 要使它們逆向進(jìn)行 就必須由外界對(duì)它們施加作用 探究一 探究二 2 制冷機(jī)是使熱量從低溫物體傳到高溫物體的裝置 通過(guò)制冷機(jī)的工作可以使一定空間內(nèi)的物體溫度低于環(huán)境溫度并維持低溫狀態(tài) 夏天 將房間內(nèi)一臺(tái)正在工作的電冰箱的門打開(kāi) 試分析這是否可以降低室內(nèi)的平均溫度 為什么 要點(diǎn)提示不會(huì)降低室內(nèi)的平均溫度 若將一臺(tái)正在工作的電冰箱的門打開(kāi) 盡管可以不斷向室內(nèi)釋放冷氣 但同時(shí)冰箱的箱體向室內(nèi)散熱 就整個(gè)房間來(lái)說(shuō) 由于外界通過(guò)導(dǎo)線不斷有能量輸入 室內(nèi)的平均溫度會(huì)不斷升高 探究一 探究二 3 一種冷暖兩用型空調(diào) 銘牌標(biāo)注 輸入功率1kW 制冷能力1 2 104kJ h 制熱能力1 3 104kJ h 這樣 該空調(diào)在制熱時(shí) 每消耗1J電能 將放出3J多熱量 請(qǐng)判斷是指標(biāo)錯(cuò)誤還是能量不守恒 要點(diǎn)提示都不是 空調(diào)制冷 制熱 靠壓縮機(jī)做功 從室內(nèi) 室外 吸收熱量放到室外 室內(nèi) 在制熱時(shí) 放出的熱量等于消耗的電能與從窗外吸收的熱量之和 完全可以大于電能消耗 這既不違背熱力學(xué)第一定律 也不違背熱力學(xué)第二定律 知識(shí)歸納1 對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解在熱力學(xué)第二定律的表述中 正確地理解 自發(fā)地 不產(chǎn)生其他影響 的確切含義是理解熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵所在 1 自發(fā)地 過(guò)程就是不受外來(lái)干擾進(jìn)行的自然過(guò)程 如重物下落 植物的開(kāi)花結(jié)果等都是自然界客觀存在的一些過(guò)程 它不受外界干擾 在熱傳遞過(guò)程中 熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體 卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體 要將熱量從低溫物體傳向高溫物體 必須有 對(duì)外界的影響或有外界的幫助 就是要有外界對(duì)其做功才能完成 電冰箱就是一例 它是靠電流做功的幫助把熱量從低溫處 搬 到高溫處的 2 不產(chǎn)生其他影響 的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成 對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 探究一 探究二 探究一 探究二 2 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述 都揭示了大量分子參與宏觀過(guò)程的方向性 進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性 探究一 探究二 3 對(duì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述等價(jià)性的證明兩種表述是等價(jià)的 即一個(gè)說(shuō)法是正確的 另一個(gè)說(shuō)法也必然是正確的 如一個(gè)說(shuō)法是錯(cuò)誤的 另一個(gè)說(shuō)法必然是不成立的 下面給出證明 設(shè)表述 1 不成立 低溫?zé)釒?kù)T2可以自發(fā)地向高溫?zé)釒?kù)T1傳遞熱量Q2 如圖所示 探究一 探究二 那么 我們可在高溫?zé)釒?kù)T1和低溫?zé)釒?kù)T2之間設(shè)置一熱機(jī) 使它從高溫?zé)釒?kù)吸收熱量Q1 對(duì)外做功W 并把熱量Q2傳遞給低溫?zé)釒?kù) 當(dāng)這一過(guò)程完成之時(shí) 低溫?zé)釒?kù)由于吸熱和放熱相等 沒(méi)有引起其他變化 高溫?zé)釒?kù)放出熱量Q1大于吸收熱量Q2 熱機(jī)對(duì)外做功W Q1 Q2 相當(dāng)于高溫?zé)釒?kù)放出的熱量全部用來(lái)對(duì)外做功 且沒(méi)有引起其他變化 也就是說(shuō)單一熱庫(kù)所放出的熱量全部用來(lái)做功 這顯然是違反表述 2 的 即凡違反表述 1 的說(shuō)法 必然違反表述 2 反之 也可以證明 凡違反表述 2 的 也必然違反表述 1 探究一 探究二 例題1 對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解 下列說(shuō)法正確的是 A 熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體B 外界對(duì)物體做功 物體的內(nèi)能必定增加C 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 是因?yàn)檫`反了能量守恒定律D 不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量并把它全部用來(lái)做功 而不引起其他變化 思考問(wèn)題 熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)是什么 提示自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的一切自發(fā)過(guò)程都有 方向性 并且一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆的 探究一 探究二 解析 根據(jù)熱力學(xué)第二定律 熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體 但在一定條件下 熱量可以由低溫物體傳遞到高溫物體 例如電冰箱的工作過(guò)程 故選項(xiàng)A錯(cuò)誤 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 物體內(nèi)能的變化取決于吸收或放出的熱量和做功的正負(fù)兩個(gè)因素 所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤 第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律 而違反了熱力學(xué)第二定律 選項(xiàng)C錯(cuò)誤 選項(xiàng)D是熱力學(xué)第二定律的表述形式之一 是正確的 答案 D熱力學(xué)第二定律的理解 1 理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì) 即自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過(guò)程都具有方向性 2 理解的關(guān)鍵在于 自發(fā) 和 不產(chǎn)生其他影響 探究一 探究二 變式訓(xùn)練1關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)兩個(gè)規(guī)律 下列說(shuō)法正確的是 A 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律B 第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律C 由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能 熱傳遞也不一定改變內(nèi)能 但同時(shí)做功和熱傳遞一定會(huì)改變內(nèi)能D 由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的 從單一熱源吸收熱量 完全變成功也是可能的解析 第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律 第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律 A B項(xiàng)錯(cuò)誤 由熱力學(xué)第一定律可知W 0 Q 0 但 U W Q可以等于0 C項(xiàng)錯(cuò)誤 由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的 但不引起其他變化是不可能的 D項(xiàng)正確 答案 D 探究一 探究二 第二類永動(dòng)機(jī)問(wèn)題探究1 如圖所示為國(guó)內(nèi)某柴油機(jī)廠所產(chǎn)的單缸柴油機(jī) 圖中上方部分為水箱 熱機(jī)工作時(shí) 內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能嗎 為什么 水箱所起的作用是什么 要點(diǎn)提示柴油機(jī)工作時(shí)水箱所起的作用是作為低溫?zé)釒?kù) 在內(nèi)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的過(guò)程中 內(nèi)能有一部分轉(zhuǎn)移到低溫?zé)釒?kù) 不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 探究一 探究二 2 我們把 從單一熱庫(kù)吸收熱量 使之完全變成功 而不產(chǎn)生其他影響的熱機(jī)稱為第二類永動(dòng)機(jī) 如果隨著科技的不斷發(fā)展 能夠使熱機(jī)沒(méi)有漏氣 沒(méi)有摩擦 也沒(méi)有熱量損失 是不是就能制成第二類永動(dòng)機(jī) 要點(diǎn)提示不能 這是因?yàn)闊釞C(jī)必須有熱源和冷凝器 熱機(jī)工作時(shí) 總要向冷凝器放熱 不可避免地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量 即使是理想熱機(jī) 沒(méi)有摩擦 沒(méi)有漏氣等能量損失 它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中 所以說(shuō)第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的 探究一 探究二 知識(shí)歸納1 熱機(jī) 1 熱機(jī) 熱機(jī)是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的一種裝置 如蒸汽機(jī)把水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 內(nèi)燃機(jī)是把燃燒后的高溫高壓氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 2 熱機(jī)的工作原理 工作物質(zhì)從熱庫(kù)吸收熱量Q1 推動(dòng)活塞做功W 然后排出廢氣 同時(shí)把熱量Q2散發(fā)到冷凝器或大氣中 根據(jù)能量守恒有Q1 W Q2 探究一 探究二 3 熱機(jī)的效率 把熱機(jī)做的功W與它從熱庫(kù)中吸收的熱量Q1的比值叫做熱機(jī)的效率 用 表示 因?yàn)镼1 W Q2 所以Q1 W W 熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100 即使是理想熱機(jī) 沒(méi)有摩擦 也沒(méi)有漏氣等能量損失 它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中 探究一 探究二 2 第二類永動(dòng)機(jī) 1 第二類永動(dòng)機(jī) 只從單一熱庫(kù)吸收熱量 使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī) 2 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 這類機(jī)器雖然不違背能量守恒定律 但因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程是有方向性的 熱機(jī)工作時(shí)從高溫?zé)釒?kù)吸收的熱量Q 只有一部分用來(lái)做功W 轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 另一部分熱量要排放給低溫?zé)釒?kù) 也就是說(shuō) 熱機(jī)在工作過(guò)程中必然排出部分熱量 熱機(jī)用于做機(jī)械功的熱量?jī)H是它從高溫?zé)釒?kù)吸收熱量的一部分 絕不會(huì)是全部 所以第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的 從上面的分析可知 即使沒(méi)有任何漏氣 摩擦 不必要的散熱等損失 也總有W Q 所以熱機(jī)的效率總達(dá)不到100 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率一般在20 30 燃?xì)廨啓C(jī)的效率較高 可達(dá)60 左右 3 熱力學(xué)第二定律還可表述為第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 探究一 探究二 3 兩類永動(dòng)機(jī)的比較 探究一 探究二 典例剖析 例題2 多選 關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī) 下列說(shuō)法正確的是 A 沒(méi)有冷凝器 只有單一的熱源 能將從單一熱源吸收的熱量全部用來(lái)做功 而不引起其他變化的熱機(jī)叫作第二類永動(dòng)機(jī)B 第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律 所以不可能制成C 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 同時(shí)不引起其他變化 探究一 探究二 解析 根據(jù)第二類永動(dòng)機(jī)的定義可知選項(xiàng)A正確 第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律 但是違反熱力學(xué)第二定律 所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 內(nèi)能在引起其他變化時(shí)可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 選項(xiàng)C錯(cuò)誤 選項(xiàng)D正確 答案 AD雖然第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律 大量的事實(shí)證明 在任何情況下 熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱源 熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)嵩?所以第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 因?yàn)樗`背了熱力學(xué)第二定律 探究一 探究二 變式訓(xùn)練2汽車內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)汽油燃燒時(shí) 氣體體積膨脹推動(dòng)活塞對(duì)外做功 已知在某次對(duì)外做功的沖程中 汽油燃燒釋放的化學(xué)能為1 103J 因尾氣排放 汽缸發(fā)熱等對(duì)外散失的熱量為8 102J 該內(nèi)燃機(jī)的效率為 隨著科技的進(jìn)步 可設(shè)法減少熱量的損失 則內(nèi)燃機(jī)的效率能不斷提高 其效率 選填 有可能 或 仍不可能 達(dá)到100 解析 內(nèi)燃機(jī)的效率 20 內(nèi)燃機(jī)的效率永遠(yuǎn)也達(dá)不到100 答案 20 仍不可能 1 2 3 4 1 多選 下列哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生 并且不違背熱力學(xué)第二定律 A 常溫下一杯熱茶在打開(kāi)杯蓋后 茶會(huì)自動(dòng)變得更熱B 蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能C 桶中混濁的泥水在靜置一段時(shí)間后 泥沙下沉 上面的水變清 泥 水自動(dòng)分離D 電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體解析 選項(xiàng)A B都違背了熱力學(xué)第二定律 都不能發(fā)生 選項(xiàng)C中系統(tǒng)的勢(shì)能減少了 選項(xiàng)D中消耗了電能 所以不違背熱力學(xué)第二定律 均能發(fā)生 答案 CD 1 2 3 4 2 下列說(shuō)法正確的是 A 一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都具有方向性B 熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體C 氣體的擴(kuò)散過(guò)程具有方向性D 一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都不具有可逆性解析 熱力學(xué)第二定律反映了所有與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性 A D兩項(xiàng)錯(cuò)誤 熱量不是不能從低溫物體傳給高溫物體 關(guān)鍵是會(huì)不會(huì)產(chǎn)生其他影響 B項(xiàng)錯(cuò)誤 氣體擴(kuò)散過(guò)程具有方向性 C項(xiàng)正確 答案 C 1 2 3 4 3 下列說(shuō)法正確的是 A 功可以完全轉(zhuǎn)化為熱量 而熱量不可以完全轉(zhuǎn)化為功B 熱機(jī)必須是具有兩個(gè)熱庫(kù) 才能實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化C 熱機(jī)的效率不可能大于1 但可能等于1D 熱機(jī)的效率必定小于1解析 開(kāi)爾文表述沒(méi)有排除熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功 但必然要產(chǎn)生其他變化 比如氣體等溫膨脹 氣體內(nèi)能完全轉(zhuǎn)化為功 但氣體體積增大了 A項(xiàng)錯(cuò)誤 開(kāi)爾文表述指出 熱機(jī)不可能只有單一熱庫(kù) 但未必就是兩個(gè)熱庫(kù) 可以具有兩個(gè)以上熱庫(kù) B項(xiàng)錯(cuò)誤 由可知 只要Q2 0 1 如果Q2 0 則低溫?zé)釒?kù)不存在 違背了開(kāi)爾文表述 故C項(xiàng)錯(cuò)誤 D項(xiàng)正確 答案 D 1 2 3 4 4 多選 關(guān)于熱傳導(dǎo)的方向性 下列說(shuō)法正確的是 A 熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體B 熱量能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體C 在一定條件下 熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體D 熱量一定不可能從低溫物體傳給高溫物體解析 在一定條件下 熱量可以從低溫物體傳遞給高溫物體 而在自發(fā)的條件下 熱量只能從高溫物體傳給低溫物體 故A C選項(xiàng)正確 答案 AC