(共47张PPT)
4 热力学第二定律
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随堂训练
素养 目标定位
目 标 素 养
1.知道热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。具有方向性的过程是不可逆的。
2.理解热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成的原因。
3.学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、热力学第二定律
1.热力学第二定律的克劳修斯表述。
(1)热传导的方向性。
①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。
②热传导过程是有 方向性 的。热量不能自发地由低温物体传给高温物体。
(2)热力学第二定律的克劳修斯表述。
热量不能 自发地 从低温物体传到高温物体。
2.热力学第二定律的开尔文表述。
(1)热机。
①热机工作的两个阶段。
第一个阶段是燃烧燃料,把燃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对外 做功 ,把自己的内能变成机械能。
②热机的效率:热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示:η= 。
(2)热力学第二定律的开尔文表达。
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。
微探究 河水只能从高处流向低处,不会自动地从低处流向高处。成语“覆水难收”指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中的。下落的石头也不会把内能自动转化为动能,使自己重新飞上去。
(1)这些现象说明什么道理 (2)能否使这些现象逆向进行 (3)传热的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”
提示:(1)这些现象说明自然界的宏观过程不可能自动地逆向进行。(2)可以使这些现象逆向进行,但不是自发地,必须有第三者的介入。(3)传热的方向性是指“热量不能自发地从低温物体传到高温物体”,在有第三者介入时,热量会从低温物体传给高温物体。传热的方向性不能简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”。
二、能源是有限的
1.能量耗散:能量在数量上虽然守恒,但其转移和转化却具有
方向性 。我们使用的能源最后都转化成了内能,能源消耗使得周围环境升温,根据热力学第二定律,这些能量再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
2.能源:指具有高品质的容易利用的储能物质,例如石油、天然气、煤等。
3.能源的使用:能源的使用过程中虽然总量保持守恒,但能量的 品质 下降了。虽然能量总量不会减少,但能源会逐步减少,因此能源是有限的资源。
微思考 能量耗散的说法与能量守恒定律是互相矛盾的吗
提示:不矛盾。能量耗散的过程中能量向品质低的内能转变,但是总的能量是守恒的,能量不能凭空产生,也不能凭空消失,但有方向性,所以能量耗散与能量守恒不矛盾。
课堂·重难突破
重难归纳
1.在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不可能”“不产生其他影响”的含义如下。
(1)“自发地”:指热量从高温物体传给低温物体的方向性。在传递过程中不需要借助其他物体提供能量。
一 对热力学第二定律的理解
(2)“不可能”:热机或制冷机系统工作时,除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温热库以外,过程所产生的其他一切影响,不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。
(3)“不产生其他影响”:发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响,如吸热、放热、做功等。
2.热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文表述的对比。
项目 克劳修斯表述 开尔文表述
作用 阐述了传热的方向性。传热的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行,但相反方向却不能自发地进行,这是一个不可逆过程 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化成机械能
项目 克劳修斯表述 开尔文表述
等价 性和 实质 如果克劳修斯表述不成立,则开尔文表述也不成立。不管如何表述,热力学第二定律的实质都是相同的,即一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 举例 ①传热过程的方向性;②扩散现象的方向性;③机械能和内能转化的方向性;④气体向真空中自由膨胀的方向性;⑤电能和内能转化的方向性 3.热力学第二定律与热力学第一定律的比较。
定律 热力学第一定律 热力学第二定律
区别 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现,否定了创造能量和消灭能量的可能性,从而否定了第一类永动机 热力学第二定律是关于在有限空间和时间内,一切和热现象有关的宏观自然过程具有不可逆性的经验总结,从而否定了第二类永动机
联系 两者都是热力学基本定律,分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律,二者相互独立,又相互补充,都是热力学的理论基础 1821年,德国物理学家塞贝克发现了一
种怪现象:把两根铜丝和一根铁丝与灵
敏电流计串联成闭合电路,然后把铜丝
与铁丝的一个连接点放在盛有冰水混
合物的容器里保持低温,另一个连接点
放在火焰上加热,升到很高的温度时,发现灵敏电流计的指针发生了偏转,表明闭合电路中产生了电流,这就是温差发电现象。这一实验是否违反热力学第二定律 简述这一过程中能的转化情况。
提示:不违反,内能不可能全部转化为电能,而不产生其他影响;产生的电能是由被火焰加热的金属丝的内能转化而来,其内能一部分转化为电能,一部分传递给冰水混合物。
典例剖析
下列说法正确的是( )
A.热力学第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性
B.电流流过导体,电能转化为内能,反过来,可将内能收集起来,再转化成同样多的电能而不产生其他影响
C.可以做成一种热机,由热源吸取一定的热量而对外做功
D.冰可以熔化成水,水也可以结成冰,这个现象违背了热力学第二定律
答案:C
解析:热力学第二定律说明了一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的,但并没有否定以特殊方式利用能量的可能性,故选项A错误;功和内能的转化具有方向性,其逆过程是不可能自发实现的,故选项B错误;只要不要求吸收的热量全部用来做功而不产生其他影响,可以做成一种热机,由热源吸取一定热量而对外做功,故选项C正确;冰熔化成水,水结成冰,伴随着能量的转移,不是自发进行的,没有违背热力学第二定律,故选项D错误。
规律方法 利用热力学第二定律解题三要点
1.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物理过程都具有方向性。
2.特别注意“不产生其他影响”和“产生其他影响”。热量可以从低温物体传到高温物体,但要产生其他影响。
3.热机的效率总是小于1,因为它总要向低温热库散热。
学以致用
(多选)根据热力学第二定律,下列说法正确的是( )
A.热机中燃料燃烧产生的热量不可能全部变成机械能
B.电能不可能全部转化成内能
C.在火力发电机中,燃料燃烧产生的热量不可能全部转化成电能
D.在热传递中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
答案:ACD
解析:凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化,热机的效率不可能达到100%,故热机中燃料燃烧产生的热量不能全部转化为机械能,故选项A正确;火力发电机发电时,能量转化的过程为内能→机械能→电能,因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量,故燃料燃烧产生的热量必然不能全部转化为电能,故选项C正确;热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行,必须借助外界的帮助,结果会带来其他影响,这正是热力学第二定律的克劳修斯表述的主要思想,故选项D正确。
重难归纳
1.热机。
(1)热机:热机是把内能转化成机械能的一种装置。如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能;内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。
二 热机与第二类永动机的分析
(2)热机的工作原理。
工作物质从热库吸收热量Q1,推动活塞做功W,然后排出废气,同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中。根据能量守恒定律有Q1=W+Q2。
(3)热机的效率。
热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的
2.第二类永动机。
(1)第二类永动机:只从单一热库吸收热量,使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
(2)第二类永动机不可能制成。
这类机器虽然不违背能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的,热机工作时从高温热库吸收的热量Q,只有一部分用来做功W,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温热库。也就是说,热机在工作过程中必然排出部分热量,热机用于做功的热量仅是它从高温热库吸收热量的一部分,绝不会是全部,所以第二类永动机是不可能制成的。
从上面的分析可知,即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失,也总有W
3.两类永动机的比较。
分类 第一类永动机 第二类永动机
设计 要求 不消耗任何能量,可以不断做功(或只给予很小的能量启动后,可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化(或只有一个热源,实现内能与机械能的转化)
不可能 的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
下图为国内某柴油机厂所产的单缸柴油
机,图中上方部分为水箱。热机工作时,内
能可以全部转化为机械能吗 为什么 水
箱所起的作用是什么
提示:柴油机工作时水箱所起的作用是作
为低温热库给热机快速降温,在内能向机械能转化的过程中,内能有一部分转移到低温热库,不可能全部转化为机械能。
典例剖析
(多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是( )
A.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,而不引起其他变化的热机是第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能
D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
AD
解析:根据所学的热机知识可知选项A正确;第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,所以选项B错误;机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时可以全部转化为机械能,选项C错误,D正确。
学以致用
下列说法正确的是( )
A.功可以完全转化为内能,而内能不可以完全转化为功
B.热机必须是具有两个热库,才能实现热功转化
C.热机的效率不可能大于1,但可能等于1
D.热机的效率必定小于1
答案:D
解析:热力学第二定律的开尔文表述没有排除内能可以完全转化为功,但必然要产生其他变化,选项A错误;热机不可能只有单一热库,但未必就是两个热库,可以具有两个以上热库,选项B错误;由η= 可知,只要Q2≠0,就有η≠1,如果Q2=0,则低温热库不存在,违背了热力学第一定律,选项C错误,D正确。
随堂训练
1.关于物体的内能和能量转化,下列说法正确的是( )
A.物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能的总和
B.能量转化一定是从内能大的物体向内能小的物体转化
C.自由扩散是不可逆的
D.满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行
答案:C
解析:物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能和分子势能的总和,选项A错误;能量通过做功由一个物体转移到另一物体,不一定是从内能大的物体转移到内能小的物体,选项B错误;与热现象有关的宏观现象都具有方向性,故选项C正确,D错误。
2.下列关于热力学定律的说法,正确的是( )
A.第二类永动机并没有违反能量守恒定律
B.热量只能从高温物体传到低温物体
C.晶体熔化的过程要吸收热量,因此分子的平均动能增大
D.一定质量的理想气体经历等容变化,气体吸收热量,其内能有可能减小
答案:A
解析:第二类永动机违反热力学第二定律,并没有违反能量守恒定律,故选项A正确;热量能自发地从高温物体传到低温物体,在外力做功的情况下,能从低温物体传到高温物体,故选项B错误;晶体熔化的过程要吸收热量,但温度不变,所以分子的平均动能不变,故选项C错误;一定质量的理想气体经历等容变化,则气体对外界不做功,有W=0,气体吸收热量,有Q>0,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q>0,所以其内能增大,故选项D错误。
3.下列说法正确的是( )
A.热量不能从低温物体传到高温物体
B.第二类永动机不能制成,因为违背能量守恒定律
C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的,故无法把膨胀后的气体恢复到原来的体积
D.即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失,热机的效率也不会是100%
答案:D
解析:热量可以自发地从高温物体传到低温物体,在外力做功的情况下,热量可以从低温物体传到高温物体上,故选项A错误;第二类永动机不能制成,因为违背热力学第二定律,但没有违背能量守恒定律,故选项B错误;气体向真空的自由膨胀是不可逆的,但通过外力作用,可以把膨胀后的气体恢复到原来的体积,故选项C错误;由热力学第二定律可知,即使没有摩擦、漏气和不必要的散热等损失,热机的效率也不能达到100%,故选项D正确。
4.(多选)根据热力学定律,下列说法正确的是( )
A.科技的进步可以使内燃机成为单一热库的热机
B.空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量少于向室外放出的热量
C.电冰箱的工作过程表明,热量可以从低温物体向高温物体传递
D.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少,形成能源危机
答案:BC
解析:不可能从单一热库吸热全部用来对外做功而不引起其他变化,选项A错误;空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量少于向室外放出的热量,因为电能也部分转化为热能,选项B正确;热量可以从低温物体向高温物体传递,但要引起其他变化,选项C正确;对能源的过度消耗将形成能源危机,但自然界的总能量守恒,选项D错误。
5.关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是
( )
A.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,热传递也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能
D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一热库吸收热量,完全变成功也是可能的
答案:D
解析:第一类永动机违反能量守恒定律,选项A错误;第二类永动机违反热力学第二定律,选项B错误;由热力学第一定律可知当W≠0,Q≠0时,ΔU=W+Q可以等于0,选项C错误;由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的,但一定会产生其他影响,选项D正确。4 热力学第二定律
课后·训练提升
一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)
1.下列说法正确的是( )
A.扩散现象只有在固体和液体中能发生
B.热量不可能从低温物体传到高温物体
C.第一类永动机违背了热力学第一定律
D.显微镜下观察到墨水中的小炭粒在不停地做无规则运动,这反映了液体分子运动的无规则性
答案:D
解析:固体、液体、气体之间都能发生扩散现象,故选项A错误;在引起其他变化的情况下,热量可以从低温物体传递到高温物体,但是不能自发地从低温物体传递到高温物体,故选项B错误;第一类永动机违背能量守恒定律,不能制造出来,不是违背热力学第一定律,故选项C错误;墨水中的小炭粒的运动是因为大量水分子对它的撞击作用力不平衡导致向各方向运动,这反映了液体分子运动的无规则性,故选项D正确。
2.根据热力学定律,判断下列说法正确的是( )
A.空调在制冷过程中,从室内吸收的热量大于向室外放出的热量
B.海水降低温度可以放出大量的热量,科技的不断进步使得人类有可能通过降低海水的温度来发电,从而解决能源短缺的问题
C.即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失,热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能
D.对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少,形成能源危机
答案:C
解析:空调机在制冷过程中,把室内的热量向室外释放,消耗电能,产生热量,故从室内吸收的热量小于向室外放出的热量,选项A错误;根据热力学第二定律,降低海水温度要放出热量,但是要引起其他的变化,根据能量守恒定律,此方法不可能实行,选项B错误;根据热力学第二定律,即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失,热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能,故选项C正确;对能源的过度消耗使自然界的可利用的能源不断减少,形成能源危机,自然界中能量总是守恒的,选项D错误。
3.关于永动机,下列说法正确的是( )
A.随着科技的不断发展,永动机是可以制成的
B.第一类永动机违反了热力学第二定律
C.第二类永动机违反了热力学第二定律
D.永动机指的是在摩擦力趋于零的条件下一直运动的机器,它不需要对外做功
答案:C
解析:第一类永动机指不需要外界输入能量,能够不断向外输出能量的机器,它违反了能量守恒定律,是不可能制成的,选项B错误;第二类永动机指从单一热库吸收热量全部用来对外做功,不产生其他影响的机器,它违反了热力学第二定律,也是不可能制成的,选项C正确;无论是哪种永动机,要么违反能量守恒定律,要么违反热力学第二定律,因此都不可能制成,选项A错误;无论哪种永动机都需要对外做功,选项D错误。
4.关于能量和能源,下列说法正确的是( )
A.由于自然界的能量守恒,所以不需要节约能源
B.人类在不断地开发新能源,所以能量可以被创造
C.能量的转化和转移没有方向性
D.能量可以从一种形式转化为另一种形式,力对物体做的功总是在某过程中完成的,所以功是一个过程量
答案:D
解析:自然界的能量守恒,但能直接应用的能源使用后品质降低,不能直接应用,所以可利用能源越来越少,故选项A错误;人类在不断地开发和利用新能源,但能量不能被创造,也不会被消灭,故选项B错误;根据热力学第二定律,能量的转化和转移具有方向性,故选项C错误;能量可以从一种形式转化为另一种形式,力对物体做的功总是在某过程中完成的,所以功是一个过程量,故选项D正确。
二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)
5.下列关于热现象的说法,正确的是( )
A.外界对气体做功,气体的内能一定增加
B.气体的温度升高,气体一定从外界吸热
C.热量不能自发地由低温物体传到高温物体
D.任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能
答案:CD
解析:内能的变化由做功和热传递共同决定,外界对气体做功的同时,如果气体放出热量,则内能可能不变,可能增加,可能减小,选项A错误;气体温度升高,内能增加,内能的变化由做功和热传递共同决定,也可能是外界对气体做功,导致内能增加,温度升高,选项B错误;根据热力学第二定律,不可能自发地把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响,但是热量能自发地从高温物体传给低温物体,故选项C正确;根据热力学第二定律可知,任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能,故选项D正确。
6.下列关于热力学第二定律的说法正确的是( )
A.气体向真空的自由膨胀是可逆的
B.效率为100%的热机是不可能制成的
C.机械能转变为热能的实际宏观过程是不可逆过程
D.从单一热库吸收热量,使之完全变为功是提高机械效率的常用手段
答案:BC
解析:根据热力学第二定律可知,气体向真空的自由膨胀是不可逆的,选项A错误;根据热力学第二定律可知,效率为100%的热机是不可能制成的,选项B正确;根据热力学第二定律可知,机械能转变为热能的实际宏观过程是不可逆过程,选项C正确;根据热力学第二定律可知,从单一热库吸收热量,使之完全变为功是不可能实现的,选项D错误。
7.下列有关能量转化的说法错误的是( )
A.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化
B.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C.满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
D.外界对物体做功,物体的内能必然增加
答案:BCD
解析:热力学第二定律有不同的表述:不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响;不可能从单一热库吸收热量使之完全转换为有用的机械能而不产生其他影响;不可逆热力学过程中熵的增量总是大于零。故选项A正确,B错误;满足能量守恒定律不满足热力学第二定律的物理过程也不能自发进行,故选项C错误;根据热力学第一定律,改变内能的方式有两种——做功和热传递,外界对物体做功,若物体同时向外放热,则物体的内能有可能减少,故选项D错误。
