《高中物理 2.3-2.4热机的工作原理 热力学第二定律课件 新人教版选修1-2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 2.3-2.4热机的工作原理 热力学第二定律课件 新人教版选修1-2（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、三、热机的工作原理 四、热力学第二定律 情境导入 课程目标 有人提出这样一种设想 , 发明一种热机 , 用它把物体与地面摩擦所产生的热量都吸收过来并对物体做功 , 将内能全部转化为动能 , 使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来 , 而不引起其他变化。这是一个非常诱人的设想 , 并且这种设想也不违背能量守恒定律 , 如果真能造出这样的热机 ,“ 能源问题 ” 也就解决了。同学们想一下 , 这样的热机能制成吗 ? 为什么 ? 提示 : 不能制成 , 因为它违背了热力学第二定律。 1 . 了解蒸汽机、内燃机、制冷机的结构、原理和工作过程。 2 . 从能量转化与守恒的观点 , 认识热机中能量转化
2、和转移的方向性以及提高热机效率的重要性。 3 . 了解热传递以及自然界中一切自动发生的宏观过程的方向性。 4 . 了解热力学第二定律的两种表述 , 初步认识热力学第二定律的物理意义 , 知道第二类永动机不可能制成的原因。 一 二 一、热机 1 . 概念 通过燃烧使燃料中的 化学能 变成工作物质的 内能 , 再消耗工作物质的内能而对外 做功 的动力机械。 2 . 分类及工作原理 ( 1 ) 蒸汽机和蒸汽轮机 蒸汽机的工作原理是 : 锅炉中的水受热变成 水蒸气 , 水蒸气 经管道 , 通过滑动阀 S 控制 , 蒸汽轮流着从汽路 e 和汽路 g 进入汽缸 , 驱动活塞 往复 运动 , 对外做功 (
3、如图甲所示 ); 一 二 蒸汽轮机利用压强高达数千万帕斯卡的 高压 水蒸气驱动叶 轮 , 带动轮子旋转 ( 如图乙所示 ) 。 一 二 ( 2 ) 内燃机和燃气轮机 内燃机的概念 :汽车上的汽油机、柴油机 , 燃料在 汽缸 内燃烧 , 直接利用汽缸内生成的 高温高压 气体推动活塞做功 , 这样的热机叫作 内燃机 。 内燃机的工作循环过程 : 包括 吸气 、 压缩 、 做功 和 排气 四个冲程 ( 如图所示 ) 。 燃气轮机的工作原理 : 燃气轮机工作时 , 燃油被吸入燃烧室 , 燃烧后产生 高温高压 燃气 , 驱动涡轮旋转。 一 二 ( 3 ) 制冷机 制冷机利用外界对它做的功 , 将待冷却物
4、体中的 热量 取出 , 同时向 高温物体排放。制冷的压缩机在电动机等的带动下做功 , 将蒸气状的制冷剂压入冷凝 器 ( 散热器 ), 制冷剂在冷凝器 ( 散热器 ) 液化 , 放出 热量 ; 液态的制冷剂进入蒸发区后 , 通过很细的管道后膨胀、汽化 , 这个过程中冷库的温度 降低 。其后再次进入压缩机 , 准备下一次循环过程 ( 如图所示 ) 。 一 二 二、热力学第二定律 1 . 自然过程的方向性 大量事实表明 , 自然界里自动发生的实际过程 , 都有 方向 性 , 也就是自然过程的 不可逆 性。例如 , 热传递过程具有不可逆性 :两个温度不同的物体互相接触 , 热量总是从 高温 物体流向
5、低温 物体 , 直到两个物体的 温度 相等。从来没有发生过热量从低温物体 自发地 流向高温物体的现象。 一 二 思考 结合电冰箱的工作情况想一 下 , 热传递的方向性是否说明 “ 热量不能从低温物体流向高温物体 ” ? 提示 :不能 ,这是因为热量能从低温物体流向高温物体 ,只不过不能自发进行 ,需要外界帮助 ( 如消耗电能 ) 罢了。 一 二 2 . 热机的效率和第二类永动机 ( 1 ) 热机的效率 在物理学中 , 热机的效率用 表示 , 定义为热机所做的功与它所吸收热量的比值 , 即 =吸( 2 ) 第二类永动机 概念 : 人们把仅从单一热库吸热 , 同时不间断地 做功 的永动机叫作第二类
6、永动机。 第二类永动机不可能制成 , 表示机械能与内能的转化过程具有 方向性 :机械 能可以全部转化为 内 能 , 但 内 能却不能全部转化为 机械 能而不引起其他变化。 一 二 思考 随着科技的不断发展 , 假如能够使热机没有漏气、没有摩擦、也没有机体热量损失 , 是不是能够使热机的效率达到 100% ? 提示 :不能 ,原因是热机的工作物质吸收的热量不能全部用来做功 ,如汽车尾气会带走一部分热量。 一 二 3 . 热力学第二定律 ( 1 ) 两种表述 表述一 : 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。这是按 热传导 的方向性来表述的。 表述二 : 不可能从单一
7、热源吸收 热量 并把它全部用来 做功 , 而不引起其他变化。这是按 机械能 与 内能 转化过程的方向性来表述的 , 它也可以表述 为 :不可能制成 第二类永动机 。 ( 2 ) 意义 热力学第二定律揭示了自然界中涉及热现象的宏观过程的 方向 性 , 是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律 , 它对于我们认识自然和利用自然具有重要指导意义。 探究 一 探究 二 对热机的工作原理的理解 问题导引广义地讲 , 热机的种类有哪些 ? 为什么喷气式飞机采用燃气轮机 , 而不用普通的内燃机 ? 探究 一 探究 二 提示 :广义地讲 ,蒸汽机、内燃机、制冷机都属于热机。 由于活塞式内燃机的螺旋桨叶转得越快
8、 ,它所受到的阻力也就越大 ,效率就低。所以它的速度不能超过 21 1 m / s 。因此飞行的高度及 速度都受到限制。 喷气式飞机的燃料在燃气轮机的燃烧室内燃烧后 ,产生高温高压的气体 ,这种气体从尾部以极高的速度喷出 ,同时产生反作用力 ,推动机身向前运动。喷气发动机的作用是直接产生反冲推力 ,把燃料的化学能转变为燃气的动能和飞机前时的机械能 ,而不需要通过能量转变的中间结构 ,如活塞、螺旋桨等 ,减少了能量的损失 ,从而提高飞机的飞行速度。所以喷气式飞机采用燃气轮机提供动力。 探究 一 探究 二 名师精讲1 . 对热机的理解 ( 1 ) 从广义上看 热机蒸汽机、蒸汽轮机工作物质 : 水蒸
9、气工作原理 : 水 水蒸气 驱动活塞对外做功缺点 : 效率很低内燃机、燃气轮机 汽油机柴油机四个冲程吸气冲程压缩冲程做功冲程排气冲程制冷机 冰箱空调制冷原理探究 一 探究 二 ( 2 ) 从能量的角度看 蒸汽机、内燃机是通过燃烧燃料 , 将燃料的化学能变成工作物质的内能 ,再消耗工作物质的内能而对外做功 , 将工作物质的内能转化成机械能 , 即利用吸收的热量的一部分做功 , 同时将另一部分排放。 制冷机则利用外界对它所做的功 , 将待冷却物体中的热量取出 , 同时向高温物体排放热量。 探究 一 探究 二 2 . 热机与制冷机的联系与区别 广义地讲 , 制冷机跟蒸汽机、内燃机一样都属于热机 ,
10、只是两者的作用正好相反。热机利用吸收的热量的一部分做功 , 同时将另一部分排放 ( 图甲 );而制冷机则利用外界对它所做的功 , 将待冷却物体中的热量取出 , 同时向高温物体排放 ( 图乙 ) 。 探究 一 探究 二 【例题 1 】 单缸四冲程内燃机的四个冲程的示意图如图所示。下列关于这种内燃机一个工作循环中四个冲程的顺序排列正确的是 ( ) A. 丙、丁、乙、甲 B. 乙、丁、甲、丙 C. 乙、甲、丁、丙 D. 甲、乙、丙、丁 探究 一 探究 二 解析 :从图中可以看出 :甲图中两气门都关闭 ,火花塞产生电火花 ,活塞向下运动 ,所以是做功冲程 ; 乙图 中活塞向下运动 ,进气门打开 ,排气
11、门关闭 ,所以是吸气冲程 ;丙图中活塞向上运动 ,进气门关闭 ,排气门打开 ,所以是排气冲程 ; 丁图中两气门都关闭 ,活塞向上运动 ,所以是压缩冲程。四个冲程正确的排列顺序应该是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。故正确选项为 B 。 答案 : B 探究 一 探究 二 题后反思 知道压缩、做功冲程 , 进气门和排气门都关闭 , 吸气和排气冲程一定有一个气门打开 , 再根据活塞的上、下运动方向来确定。 探究 一 探究 二 对热力学第二定律的理解 问题导引设想在一间与外界绝热的房间里 , 有一台正在工作的冰箱 , 如果冰箱门是开着 的 , 那么室内的温度将如何变化 ? 为什么 ? 提示 :升
12、高。这是因为冰箱内的热量传到房间内 ,对于房间而言 ,总内能不变 ,但是由于热量由低温物体 ( 冰箱 ) 传到高温物体 ( 房间 ) 时不能自发进行 ,需要借助外界的帮助 ,即消耗电能 ,而消耗的电能最终转化为内能 ,所以房间内的温度会升高。 探究 一 探究 二 名师精讲1 . 自然过程的方向性 ( 1 ) 自然过程 自发的、不受外来干扰进行的过程叫自然过程。 ( 2 ) 认识自然过程的方向性 热传导具有方向性 : 两个温度不同的物体相互接触时 , 热量会自发地从高温物体传到低温物体 , 而低温物体不可能自发地将热量传给 高温物体。要实现低温物体向高温物体传递热量 , 必须借助外界的帮助 ,
13、因而产生其他影响或引起其他变化。 探究 一 探究 二 气体的扩散现象具有方向性 : 两种不同的气体可以自发地进入对方 ,最后成为均匀的混合气体 ; 但这种均匀的混合气体 , 绝不会自发地分开 , 成为两种不同的气体。 机械能和内能的转化过程具有方向性 :物体在水平面上运动 , 因摩擦而逐渐停止下来 ; 但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后 , 在地面上重新运动起来。 气体向真空膨胀具有方向性 : 气体可自发地向真空容器内膨胀 , 但绝不可能出现气体自发地从容器中流出 , 使容器内变为真空。 在 整个自然界中 , 无论有生命的还是无生命的 , 所有的宏观自发过程都具有单向性 , 都有一定的
14、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。 探究 一 探究 二 2 . 对热力学第二定律的理解 ( 1 ) 理解热力学第二定律的关键 在热力学第二定律的表述中 , 正确地理解 “ 自发地 ”“ 不引起其他变化 ”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。 “ 自发地 ” 是指热量从高温热源自发地传给低温热源的方向性 , 在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。 “ 不引起其他变化 ” 的含义是指热量从低温热源传递到高温热源或从单一热源吸收热量全部用来做功 , 不需通过第三方的帮助 , 这
15、里的帮助就是第三方给提供能量等方式。 ( 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 , 使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都是有方向性的。 探究 一 探究 二 ( 3 ) 热力学第二定律的应用 用于分析宏观过程的方向性 明确热力学第二定律的两种表述是等效的。其实质是自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都有方向性。 分析第二类永动机不可能制成的原因 第一类永动机违背了能量守恒定律 , 不可能制成 , 第二类永动机也是不可能制成的 , 它虽然并未违背能量守恒定律 , 但违背热力学第二定律中宏观热现象的方向性。 热力学第二定律在生活中的综合应用 生活中有时也会出现热量从低温物体传到高温物体的机器 , 如最典型的制冷类型机器 , 像电冰箱、空调制冷等。但这些都是有条件的 , 有外界参与的 , 让热量无条件地、自发地从低温物体传到高温物体是不可能的。 用热力学第二定律的两种表述来解释有关物理现象 , 是判定物理过程能否发生的依据。 探究 一 探
