1、讲解人： 时间：2020.5.25 MENTAL HEALTH COUNSELING PPT 第4节 热力学第二定律 第十章 热力学定律 人 教 版 高 中 物 理 选 修 3 - 3 问题 能量守恒定律告诉我们： 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？ 课堂导入 问题问题1 1：把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会几，鸡蛋的温度降低，水的温度 什高，最后水和鸡蛋的温度相同。是否可能发生这样的現象:原来温度相同的水 和鸡蛋过一会儿水的温度自发的降低而鸡蛋温度自发上升，生蛋变成熟蛋？ 结论1. 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。 思考与讨论
2、问题2：一滴墨水滴进一杯清水中，不久整杯水都 均匀与地变黑了。有没有这样的逆过程”:这杯均匀 墨水中的小碳粒又自发地聚集在一起，成为一滴 墨水，而其余部分又成了清水? 结论2. 扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆 的。 思考与讨论 问题3：在平地上滚动的足球克服摩擦力做功，其动能转化为内能，最终停了下 来，同时足球、地面及周圆空气的温度略有上升。会不会有这样的现象:静止的 足球和地面周国的空气自发地降低温度释内能，并将释数出的内能全部转化为动 能，让足球又滚动起来? 结论3. 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。 思考与讨论 问题4：装着压
3、缩气体的钢瓶，打开阀门后会听到“赤一声，气体到外面。会不 会有这样的现象：外面的气体自发地进入钢瓶，是瓶内的压强变大？ 结论4. 气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。 思考与讨论 结论1.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。 结论2.扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。 结论3.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。 结论4. 气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。 结论：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
4、自然过程都是不可逆的。 一、自然过程的方向 结论：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。 可逆与不可逆过程：热量传递、扩散现象、功转热、气体膨胀都是单方向进行， 不可逆的。 它们违背能量守恒定律了吗？ 一、自然过程的方向 能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致 能量创生或能量消灭的过程是不可能出现的。然而，并不是所有符合能量守恒定 律的宏观过程都能真的发生。 无数事实告诉我们，凡是实际的过程，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
5、。 物体间的传热 气体的膨胀 扩散现象 有摩擦的机械运动 热现象 都有特定的方向 温度由高到低 体积由小到大 由密到疏 由功到热 一、自然过程的方向 克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。 （1）克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体. 高温低温 理解“自发” 当两个物体接触时，不需要第三者介入、不会对任何第三者产生影响，热量就能 从一个物体传递到另外一个物体。 低温高温 自发 自发 二、热力学第二定律 电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系 统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？ 电冰箱工作时违反热力学第二定律吗？ 二、热力学第二定律 因为电冰箱消耗了电能 ，对制冷系统做了功
6、，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 贮藏的食品 大气 电冰箱制冷系统 二、热力学第二定律 二、热力学第二定律 即：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。 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。 如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从 低温热源传向高温热源。按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，它 无需消耗功就能致冷。克劳修斯表述否定
7、了这种可能性。 二、热力学第二定律 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） 一阶段：燃料燃烧产生热量 Q1（高温热源）（燃 料中化学能转化为工作物质的内能） 二阶段：推动活塞对外做 功 W（工作物质内能 变成机械能） 热机能流图 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 工作原理和过程： 机械能与内能转化的方向性的进一步讨论 二、热力学第二定律 效率：由能量守恒定律知道 Q1 = W +Q2 热机的效率： 高温热库 低温热库 Q1 Q2 对外做功热机 W 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
8、械能，总有 一部分热量散发到冷 凝器或大气中。 热机工作时的能量分配 二、热力学第二定律 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。 （2）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。 二、热力学第二定律的另一种表述 定律
9、的两种表述 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（它变化（即热量不会自发地从低温物体传到高温物体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。 二、热力学第二定律的另一种表述 例如，盒子中间有一个挡板，左室为真空，右室有气体。撤去挡板后右室的气 体自发地向左室扩散而相反的过程不可能自发地进行。因此，热力学第二定律 气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 因此，对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的 表述。 也可以表述为:
10、 热量自发地由高温向低温传递的过程是不可逆的。 扩散现象过程是不可逆的。 功可以自动转化为热，过程是不可逆的。 二、热力学第二定律的另一种表述 在整个自然界中，无论是他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，人的一生从婴儿到老年到死亡等。 二、热力学第二定律的另一种表述 有可能制成第二类永动机吗？ 地球上海水的总质量达1，4102kg。如果制造一种机器，把这些海水的温度 降低1，放出的热量就达910“kW-h，足够全世界使用4000年。这个设想不违 背能量守恒定律，但是不能实现，所以这类机器叫做第二类
11、永动机。前面学到 的，违背能量守恒定律的永动机，叫做第一类永动机。 学过热力学第二定律之后，你能说出为什么不能制成第二类永动机吗? 思考与讨论 1.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。 2.第二类永动机不可能制成！表示机械能和内能的转化过程具有方向性尽管机械能可以全部 转化为内能，内能却不能在不引起其他变化全部转化成机械能 3.第一类永动机和第二类永动机 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
12、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。 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。 思考与讨论 例1.下列说法正确的是 ( ) A在自然条件下，热传递的过程是不可逆的 B热量不可能由高温物体传递给低温物体 C气体的扩散过程具有方向性 D一切形式能量转化都不具有方向性 AC 典型例题 例2.根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是（ ） A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 B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 不引起其它的变化的热机是可实现的 C致冷系统能将冰箱里的热量传给外
13、界较高温度的空气中而不引起其它变化 D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 AD 典型例题 例3.根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（ ） A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 用而不引起其它变化 B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 转化为机械能，这在原理上是可行的 C分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小 D温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大 B 典型例题 1、汽车行驶时，要消耗汽油。尽量译尽地说明:汽油燃烧时释放的化学能通过哪 些途径最终转化成了周国环境的内能。 气缸内气体的内
14、 能 输出机械 功W 漏气热损 散热热损 摩擦热损 化学能 内能耗散在空 气中 问题与练习解答 2、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特化成机械能。 C、桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下说，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 C、D能发生 问题与练习解答 3、小李想估测然气灶烧水时的效率。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，水烧开后便停止加热。烧水前后燃气表的示数如图10.4-7所示。为了得出燃气
15、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。 解：他还要知道水的比热c，水的密度，煤气的燃烧值q,煤气的密度，c表示 比热，单位是J/kg；表示水的密度，单位是kg/m3；V表示水的体积，单位 是m3；t表示温度的变化，单位是；q表示煤气的燃烧值，单位是J/kg；煤 气的密度/ ,单位是kg/m3；烧水前后煤气的体积V1、V2 烧水的效率 问题与练习解答 一、热力学第二定律的一种表述 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。 1、克劳修斯表述：按热传递的方向性来表述：不可能使
16、热量从低温物体传到高温物体。 指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转 移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗 功来实现。 热机：是一种把内能转化为机械能的装置。 二、热力学第二定律的另一种表述 工作原理和过程：第一阶段燃料燃烧，把化学能转化为内能；第二阶段工作质对外做功，把内能 变成机械能。 课堂小结 由能量守恒定律知道 Q = W +Q损 热机的效率效率： 高温热库是提供高温热源的地方；低温热库是热量流向低温的地方。 2、卡尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。（效率） 开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：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。 三、永动机不可能制成 第二类永动机 概念：从单一热源吸收热量，全部用来做功而不引起其它变化。（马儿吃草全部消化吸收） 结果：无一例外地归于失败。 原因：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）。 课堂小结 讲解人： 时间：2020.5.25 MENTAL HEALTH COUNSELING PPT 感谢各位的聆听 第十章 热力学定律 人 教 版 高 中 物 理 选 修 3 - 3
