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1、10.4热力学第二定律第十章第十章热力学定律 问题提出：问题提出： 我们在初中学过，当物体温度升高时，就我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量；当物体温度降低时，就要放出要吸收热量；当物体温度降低时，就要放出热量。而且热量公式热量。而且热量公式Q = cmtQ = cmt，这里有一，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水个有趣的问题：地球上有大量的海水, ,它的它的总质量约为总质量约为1.41.4101018 18 t , t , 如果这些海水的如果这些海水的温度降低温度降低0.10.1o oC,C,将要放出多少焦耳的热量将要放出多少焦耳的热量? ?海水的比热容为海水的比热容为C=4
2、.2C=4.210103 3J/(kgJ/(kg)放出放出5.85.810102323J J的热量，这相当于的热量，这相当于18001800万个核电站万个核电站一年的发电量一年的发电量 热量从温度高的物体热量从温度高的物体自发地自发地传给温度低的物体传给温度低的物体“自发地自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。，指的是没有任何外界的影响或帮助。 有没有可能发生这样地现象，热量自发地从低温物有没有可能发生这样地现象，热量自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。温物体的温度越来越高。热力学第二定律的一种表述热力
3、学第二定律的一种表述: : 热量不能自发地从低温物体传到高温热量不能自发地从低温物体传到高温物体。物体。（这是热力学第二定律的克劳修斯表述。）（这是热力学第二定律的克劳修斯表述。）（按照热传递的方向性来表述的）（按照热传递的方向性来表述的）思考：思考：1.电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气？这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的
4、空气了。相反，外界的热量会自发地传给电外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。冰箱，使其温度逐渐升高。 某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无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，这种变化称为自需借助外力，可以自动进行，这种变化称为自发变化。发变化。 自发变化的共同特征自发变化的共同特征不可逆性不可逆性 任何自任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。发变化的逆过程是不能自动进行的。2热传导的过程具有方向性热量从高温物体自发地传给低温物体。热量不会自发地从低温物体传给高温物体 热量也可以从低温物体传给高温物体，但需借助外界的帮助才能进行。 一个
5、在水平地面上的物体，由于克服摩擦力做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，功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转物体的动能转化成为内能，化成为内能，使物体和地面的温度升高。使物体和地面的温度升高。机械能可以全部转化成内能机械能可以全部转化成内能内能可以全部转化成机械能吗？内能可以全部转化成机械能吗？热机：是一种把热机：是一种把内能内能转化为转化为机械能机械能的装置。的装置。热机热机效率：效率：由能量守恒定律知道由能量守恒定律知道 Q1 = W +Q2热机的效率热机的效率内燃机内燃机原理：原理：燃料燃烧产生热量燃料燃烧产生热量 Q1（高温热源）（高温热源）
6、推动活塞对外做功推动活塞对外做功 W排出废气向外界（低温热源）放热排出废气向外界（低温热源）放热 Q2高温热库高温热库低温热库低温热库Q1Q2对外做功对外做功热机W热机的效率小于热机的效率小于100%，就不可能把从高温热源吸收的热量全，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中。部转化为机械能，总有一部分热量散发到冷凝器中。（二）机械能与内能转化的方向性（二）机械能与内能转化的方向性热机的效率不可能达到热机的效率不可能达到100%100%，汽车上的汽油，汽车上的汽油机械效率只有机械效率只有20%20%30%30%，蒸汽轮机的效率比，蒸汽轮机的效率比较高，也只能
7、达到较高，也只能达到60%60%，即使是理想热机，没，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的转化成机械能，能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。总要有一部分散发到冷凝器中。机械能和内能的转化过程具有方向性机械能和内能的转化过程具有方向性 不可能从单一热源吸收热量，使之完全变不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功成功, ,而不产生其他影响。而不产生其他影响。热力学第二定律的开尔文表述热力学第二定律的开尔文表述机械能可以全部转化成内能，机械能可以全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能，
8、内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他同时不引起其他变化。变化。内能可以全部转化成机械能，但需要第三者的介内能可以全部转化成机械能，但需要第三者的介入。入。机械能和内能的转化过程具有方向性理解机械能和内能的转化过程具有方向性理解第二类永动机：第二类永动机： 人们把想象中能够从单一热源吸收热量，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他变化的热机叫做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。第二类永动机。 第二类永动机不可能制成。第二类永动机不可能制成。定律的两种表述 不可能将热量从低温物体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（即热量不会传到高温物体
9、而不引起其它变化（即热量不会自动地从低温物体传到高温物体）。自动地从低温物体传到高温物体）。 不可能从单一热源吸取热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。量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。( (第二类永动机是不可能制成的第二类永动机是不可能制成的) )两种表述是等价的两种表述是等价的 可以从一种表述导出另一种表述，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两种表述都称为热力学第二定律热力学第二定律的意义热力学第二定律的意义 1 1）提示了有大量分子参与的宏观过程的）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方向性，是独立
10、于热力学第一定律的一个重要自然规律个重要自然规律 2 2）对生活实践的指导作用）对生活实践的指导作用三、热力学第二定律三、热力学第二定律三、热力学第二定律三、热力学第二定律 举例：两种不同的气体扩散可以自发地进入对方举例：两种不同的气体扩散可以自发地进入对方举例：两种不同的气体扩散可以自发地进入对方举例：两种不同的气体扩散可以自发地进入对方, ,最后成为最后成为最后成为最后成为一种均匀的混合气体一种均匀的混合气体一种均匀的混合气体一种均匀的混合气体思考思考思考思考: :如图所示如图所示如图所示如图所示, ,容器容器容器容器A A中装有气体中装有气体中装有气体中装有气体, ,容器容器容器容器B
11、B是真空是真空是真空是真空, ,打开阀门打开阀门打开阀门打开阀门K,K,容器容器容器容器A A中的气体会自发地向中的气体会自发地向中的气体会自发地向中的气体会自发地向B B中膨胀中膨胀中膨胀中膨胀, ,最后两个容器都充最后两个容器都充最后两个容器都充最后两个容器都充满气体满气体满气体满气体. .会会会会不会不会不会不会气体气体气体气体自发地自发地自发地自发地从容器从容器从容器从容器B B流向容器流向容器流向容器流向容器A,A,最后使容器最后使容器最后使容器最后使容器B B恢复成真空呢恢复成真空呢恢复成真空呢恢复成真空呢? ?大量自然现象说明大量自然现象说明大量自然现象说明大量自然现象说明: :
12、有些物理有些物理有些物理有些物理过程具有方向性过程具有方向性过程具有方向性过程具有方向性. .热学过程的方向性热学过程的方向性热学过程的方向性热学过程的方向性1 1 1 1、热传导的方向性、热传导的方向性、热传导的方向性、热传导的方向性2 2 2 2、扩散现象有方向性、扩散现象有方向性、扩散现象有方向性、扩散现象有方向性3 3 3 3、能量转化有方向性、能量转化有方向性、能量转化有方向性、能量转化有方向性都不可能制成都不可能制成都不可能制成都不可能制成第一类永动机违反了能量守恒定律；第一类永动机违反了能量守恒定律；第一类永动机违反了能量守恒定律；第一类永动机违反了能量守恒定律；第二类永动机不违
13、反能量守恒定律，但违背第二类永动机不违反能量守恒定律，但违背第二类永动机不违反能量守恒定律，但违背第二类永动机不违反能量守恒定律，但违背了热力学第二定律。了热力学第二定律。了热力学第二定律。了热力学第二定律。第一类永动机和第二类永动机比较第一类永动机和第二类永动机比较热力学第一定律和热力学第二定律热力学第一定律和热力学第二定律热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础，知识的理论基础，热力学第一定律热力学第一定律反映的是物体内能的变化与热量、反映的是物体内能的变化与热量、做功的定量关系；做功的定量关系；热力学第二定律热力学第二定律则反映宏
14、观自然过程的方向性。则反映宏观自然过程的方向性。不矛盾，相辅相成。不矛盾，相辅相成。例题分析：例题分析：例题分析：例题分析： 例例11根据热力学第二定律，下列判断正确的是根据热力学第二定律，下列判断正确的是A. A. 电流的能不可能全部变为内能电流的能不可能全部变为内能B B在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C C热机中，燃气内能不可能全部变为机械能热机中，燃气内能不可能全部变为机械能D D在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温度物体度物体 解析解析 根据热力学第二定律可知，凡与热现
15、象有关的宏观过根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能程都具有方向性，电流的能可全部变为内能( (由电流热效应由电流热效应中的焦耳定律可知中的焦耳定律可知) )，而内能不可能全部变成电流的能机，而内能不可能全部变成电流的能机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，在热械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项B B、C C、D D正正确确例例2.2
16、.如图所示文艺复兴时期意大利的达如图所示文艺复兴时期意大利的达芬奇造芬奇造了一个永动机装置。他设计时认为，右边的重球了一个永动机装置。他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息用下会使轮子沿箭头方向转动不息 ( )( )A A这是第一类永动机这是第一类永动机B B这是第二类永动机这是第二类永动机C C它不可能成功，因为违反能的转化及守恒定它不可能成功，因为违反能的转化及守恒定律律D D它不可能成功，因为违反热力学第二定律它不可能成功，因为违反热力学第二定律AC例例3.3.下列说法正确的是下列说法正确
17、的是 ( ) ( ) A A在自然条件下，热传递的过程是不在自然条件下，热传递的过程是不可逆的可逆的 B B热量不可能由高温物体传递给低温热量不可能由高温物体传递给低温物体物体C C气体的扩散过程具有方向性气体的扩散过程具有方向性 D D一切形式能量转化都不具有方向性一切形式能量转化都不具有方向性AC例例4.4.下列说法中可行的是下列说法中可行的是 ( ) ( ) 将地球上所有海水的温度降低将地球上所有海水的温度降低0.10.1，以放出大量内能供人类使用以放出大量内能供人类使用 制造一种机器，把物体与地面摩擦所制造一种机器，把物体与地面摩擦所产生的热量全部收集起来再全部加以使用产生的热量全部收
18、集起来再全部加以使用 建造一只可以从海洋中提取热量的船，建造一只可以从海洋中提取热量的船，把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转 制造一种效率为制造一种效率为100100的热机的热机A.A.可行可行 B B可行可行 C C可行可行 D D都不可行都不可行D例例5.5.根据热力学第二定律，可知下列说法中根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是（正确的是（ ） A A不可能从单一热源吸收热量并把它全部不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化用来做功，而不引起其它变化B B没有冷凝器，只有单一的热源，能将从没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源
19、吸收的热量全部用来做功，而不引单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它的变化的热机是可实现的起其它的变化的热机是可实现的 C C致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中而不引起其它变化高温度的空气中而不引起其它变化D D不可能使热量由低温物体传递到高温物不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化体，而不引起其他变化AD例例6.6.关于第二类永动机，下列说法中正确关于第二类永动机，下列说法中正确的是的是 ( ) ( ) A A它既不违反热力学第一定律，也不违反它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律热力学第二定律B B它既违反了热
20、力学第一定律，也违反了它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律热力学第二定律C C它不违反热力学第一定律，只违反热力它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律学第二定律D D它只违反热力学第一定律，不违反热力它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律学第二定律C例例7.7.根据热力学定律和分子动理论，可知下根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（列说法中正确的是（ ）A A我们可以利用高科技手段，将流散到周围我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其它变化起其它变化B B利用浅层海水和深层海水之间的温度差制利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的械能，这在原理上是可行的C C分子间的作用力总是随分子间的距离增大分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小而减小D D温度升高时，物体中每个分子的运动速率温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大都将增大B
