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1、第三章第三章 热力学定律热力学定律学习目标学习目标1.通过对自然界中宏观过程的分析通过对自然界中宏观过程的分析,了解传热具有方向性、内能与机械了解传热具有方向性、内能与机械能之间的转化具有方向性能之间的转化具有方向性,学会通过现象总结规律的科学方法学会通过现象总结规律的科学方法,培养观察培养观察分析与归纳能力分析与归纳能力.2.通过对生活实例的分析通过对生活实例的分析,了解热力学第二定律的两种不同的表述了解热力学第二定律的两种不同的表述,并能并能用它解释常见的不可逆过程用它解释常见的不可逆过程,理解第二类永动机不能制成的原因理解第二类永动机不能制成的原因,培养应培养应用物理知识解决实际问题的能
2、力用物理知识解决实际问题的能力.3.通过分析生活中的现象通过分析生活中的现象,了解有序、无序、熵的概念了解有序、无序、熵的概念,理解热力学第二理解热力学第二定律的微观实质定律的微观实质,了解能量与能源的区别以及能源的有限性了解能量与能源的区别以及能源的有限性.4热力学第二定律热力学第二定律知识点一知识点一 探索能量守恒的足迹探索能量守恒的足迹1.如图所示如图所示,将一块烧红的铁块投入冷水中将一块烧红的铁块投入冷水中,会发生什会发生什么现象么现象?指明该现象中传热的方向指明该现象中传热的方向.答案答案:铁块放热铁块放热,温度降低温度降低,水吸热水吸热,温度升高温度升高,最终二者温最终二者温度相同
3、度相同;热量从高温的铁块传向低温的冷水热量从高温的铁块传向低温的冷水.2.将一块烧红的铁块投入冷水中会不会出现铁块温度升高将一块烧红的铁块投入冷水中会不会出现铁块温度升高,水的水的温度降低的情况温度降低的情况?这说明什么这说明什么?答案答案:不会出现不会出现;说明自发的传热过程有方向性说明自发的传热过程有方向性,即热量可以自发即热量可以自发地从高温物体传到低温物体地从高温物体传到低温物体,而不能自发地从低温物体传向高而不能自发地从低温物体传向高温物体温物体.3.热力学第二定律的克劳修斯表述热力学第二定律的克劳修斯表述:热量热量不能不能 地地从低温物从低温物体传到高温物体体传到高温物体.4.如图
4、所示如图所示,一个物体在水平放置的木板上运动一个物体在水平放置的木板上运动,最后要停下来最后要停下来,在这个过程中在这个过程中,物体的动能转化成为内能物体的动能转化成为内能,物体和木板的温度升物体和木板的温度升高高.该物体会不会靠降低自身温度该物体会不会靠降低自身温度,把内能自发地转化为动能把内能自发地转化为动能,使使自身运动起来呢自身运动起来呢?这说明什么这说明什么?答案答案:不会不会;这说明机械能和内能之间的转化有方向性这说明机械能和内能之间的转化有方向性,机械能可机械能可以自发地转化为内能以自发地转化为内能,但内能不能自发地转化为机械能但内能不能自发地转化为机械能.5.热力学第二定律的开
5、尔文表述热力学第二定律的开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量不可能从单一热库吸收热量,使使之之 变变成功成功,而而 其他其他影响影响.自发自发完全完全不产生不产生知识点二能源是有限的知识点二能源是有限的1.能量耗散能量耗散:像机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、像机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能等高品质能量被利用后最终都转化生物能等高品质能量被利用后最终都转化成成 ,流散到周流散到周围的环境中围的环境中,这一过程叫能量耗散这一过程叫能量耗散.2.能源的使用过程中虽然能的总量能源的使用过程中虽然能的总量保持保持 ,但能量的品质下但能量的品质下降了降了,虽然能量总量虽然能量总量不
6、会不会 ,但但 会会逐步减少逐步减少,因此能源是因此能源是有限的资源有限的资源,要节约能源要节约能源.内能内能守恒守恒减少减少能源能源小小试试身手身手判断下列说法的正误并和同学交流判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打正确的打“”,错误的错误的打打“”).).1.温度不同的两个物体接触时温度不同的两个物体接触时,热量会自发地从低温物体传给热量会自发地从低温物体传给高温物体高温物体.()2.机械能可以全部转化为内能机械能可以全部转化为内能,而内能不能自发地全部转化为而内能不能自发地全部转化为机械能机械能.()3.在一定条件下在一定条件下,热量可以从低温物体传到高温物体热量可以从低温物体传到高温
7、物体.()4.只要对内燃机不断改进只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的内能全部转就可以把内燃机得到的内能全部转化为机械能化为机械能.()5.传热的过程是具有方向性的传热的过程是具有方向性的.()6.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的.()探究一探究一热力学第二定律热力学第二定律问题情境问题情境如图所示如图所示,电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度,并且还会继续降温并且还会继续降温,直至达到设定的温度直至达到设定的温度,显然这显然这时热量从低温物体传到了高温物体时热量从低温物体传到了高温物体.1.这一现象是否违背
8、热力学第二定律这一现象是否违背热力学第二定律?答案答案:不违背热力学第二定律不违背热力学第二定律;热量的确从低温物体传到了高热量的确从低温物体传到了高温物体温物体,但这不是自发的过程但这不是自发的过程,如果不供电如果不供电,冰箱的压缩机会停冰箱的压缩机会停止工作止工作,自发的过程则是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内自发的过程则是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品的低温食品.答案答案:热力学第二定律的克劳修斯表述阐述的是传热热力学第二定律的克劳修斯表述阐述的是传热的的方向性方向性.“自发自发”二字指的是当两个物体接触时二字指的是当两个物体接触时,不需要任何第三者的不需要任何第三者的介入、
9、不会对任何第三者产生任何影响介入、不会对任何第三者产生任何影响.2.热力学第二定律的克劳修斯表述热力学第二定律的克劳修斯表述,从哪个方面阐述了宏观自从哪个方面阐述了宏观自然过程的方向性然过程的方向性?如何理解如何理解“自发自发”二字二字?3.请从能量的角度请从能量的角度,说明热机工作过程中是如何完成能量转化说明热机工作过程中是如何完成能量转化的的.答案答案:热机的工作分为两个阶段热机的工作分为两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料第一个阶段是燃烧燃料,把燃把燃料中的化学能变成工作物质的内能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推第二个阶段是工作物质推动活塞对外做功动活塞对外做功,把自己的
10、内能变成机械能把自己的内能变成机械能.4.热机工作时热机工作时,汽缸中的气体得到的燃料燃烧时产生的热量汽缸中的气体得到的燃料燃烧时产生的热量Q1,气体推动活塞做功气体推动活塞做功W,排出的废气通过冷凝器把热量排出的废气通过冷凝器把热量Q2散散发到大气中发到大气中,请根据能量守恒定律说明请根据能量守恒定律说明Q1、W、Q2之间的关系之间的关系.热机的效率为多少热机的效率为多少?5.通过技术改进通过技术改进,热机的效率能达到热机的效率能达到100%吗吗?为什么为什么?答案答案:热机效率不可能达到热机效率不可能达到100%.因为因为Q1=W+Q2,而而Q20,所以所以Q1W,1.这说明即使没有摩擦和
11、漏气这说明即使没有摩擦和漏气,也没有机体热量的损也没有机体热量的损失失,热机也不可能把吸收的热量全部转化为机械能热机也不可能把吸收的热量全部转化为机械能,总有一部分总有一部分内能要散失到冷凝器或大气中内能要散失到冷凝器或大气中.6.如图所示如图所示,绝热汽缸中的高压理想气体膨胀时绝热汽缸中的高压理想气体膨胀时,推动活塞对外推动活塞对外做功做功,理想气体减少的内能全部用来对外做功转化为机械能理想气体减少的内能全部用来对外做功转化为机械能,这这与热力学第二定律的开尔文表述矛盾吗与热力学第二定律的开尔文表述矛盾吗?为什么为什么?答案答案:不矛盾不矛盾.因为该过程的确把内能全部转化为机械能因为该过程的
12、确把内能全部转化为机械能,但是气但是气体的体积和压强发生了变化体的体积和压强发生了变化,它不能循环动作返回原状态它不能循环动作返回原状态.也就也就是说产生其他影响时是说产生其他影响时,内能是可以全部转化为机械能的内能是可以全部转化为机械能的.过程建构过程建构1.对热力学第二定律的理解对热力学第二定律的理解.(1)“自发地自发地”是指热量从高温物体传给低温物体的方向性是指热量从高温物体传给低温物体的方向性.在在传热过程中不会对其他物体产生影响传热过程中不会对其他物体产生影响,也不需要借助其他物体也不需要借助其他物体提供能量等提供能量等.(2)关于关于“不可能不可能”:实际上热机或制冷机系统循环终
13、了时实际上热机或制冷机系统循环终了时,除除了从单一热库吸收热量对外做功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以及热量从低温热库传到高温热库以外温热库以外,过程所产生的其他一切影响过程所产生的其他一切影响,用任何办法都不可用任何办法都不可能加以完全消除能加以完全消除.(3)“不产生其他影响不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响对周围环境不产生热力学方面的影响,如吸热、如吸热、放热、做功等放热、做功等.2.热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质.热力学第二定律的每一种表述热力学第二
14、定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性程的方向性,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过程都具有方向性.3.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的.4.热力学第二定律与热力学第一定律的关系热力学第二定律与热力学第一定律的关系.热力学第一定律描述的是和热现象有关的物理过程中能量守热力学第一定律描述的是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式恒的特殊表达形式,说明功及热量与内能改变的定量关系说明功及热量与内能改变的定量关系;热热力
15、学第二定律指出了能量守恒能实现的条件和过程进行的方力学第二定律指出了能量守恒能实现的条件和过程进行的方向向,指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆,除非靠外界除非靠外界影响影响;二者既相互独立二者既相互独立,又相互补充又相互补充.【典例【典例1】(多选多选)根据热力学第二定律根据热力学第二定律,下列说法正确的下列说法正确的是是()A.热机中燃气的内能不可能全部变成机械能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电能不可能全部转变成内能C.在火力发电机中在火力发电机中,燃气的内能不可能全部转变成电能燃气的内能不可能全部转变成电能D.在传
16、热中在传热中,热量不可能自发地从低温物体传给高温物体热量不可能自发地从低温物体传给高温物体解析解析:凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性.无论采无论采用何种设备和手段进行能量转化用何种设备和手段进行能量转化,热机的效率都不可能达到热机的效率都不可能达到100%,热机中燃气的内能不能全部转化为机械能热机中燃气的内能不能全部转化为机械能,选项选项A正确正确.火力发电机发电时火力发电机发电时,能量转化的过程为内能能量转化的过程为内能机械能机械能电能电能,因为内能因为内能机械能的转化过程中会对外放出热量机械能的转化过程中会对外放出热量,燃气的内燃气的内能必然不能全部变为电能能必然不能全部变为电能,选项选项C正确正确.热量从低温物体传递热量从低温物体传递到高温物体不能自发地进行到高温物体不能自发地进行,必须借助外界的帮助必须借助外界的帮助,这会带来这会带来其他影响其他影响,选项选项D正确正确.由电流的热效应中的焦耳定律可知由电流的热效应中的焦耳定律可知,电电能可以全部转化为内能能可以全部转化为内能,选项选项B错误错误.答案答案:ACD理解热力学第二定律
