高二物理选修3-3_104_热力学第二定律_LI.ppt

第十章热力学定律高中物理选修33问题问题热力学第一定律告诉我们：热力学第一定律告诉我们：在一切热力学过程中能量必须守恒。在一切热力学过程中能量必须守恒。满足能量守恒的过程是否都能实现呢？满足能量守恒的过程是否都能实现呢？思考与讨论：思考与讨论：P57结论结论1.热量自动地由高温物体向低温物体传递的过热量自动地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的。程是不可逆的。结论结论2.扩散现象进行是有方向的扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。过程是不可逆的。结论结论3.功可以自动转化为热，但热却不能自动转化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为功。通过摩擦而使功转变为热的过程是不可逆的。可逆的。结论结论4.气体膨胀气体膨胀(绝热自由膨胀绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。的过程是不可逆的。一一.自然过程的方向自然过程的方向结论：无数事实告诉我们：凡是实际的过结论：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、有摩擦的机械运动膨胀、扩散、有摩擦的机械运动都有都有特定方向。也就是说，特定方向。也就是说，一切与热现象有关一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。的宏观自然过程都是不可逆的。克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。与与之之相相应应的的经经验验事事实实是是，当当两两个个不不同同温温度度的的物物体体相相互互接接触触时时，热热量量将将由由高高温温物物体体向向低低温温物物体体传传递递，而而不不可可能能自自发发地地由由低低温温物物体体传传到到高高温温物物体体。如如果果借借助助制制冷冷机机，当当然然可可以以把把热热量量由由低低温温传传递递到到高高温温，但但要要以以外外界界作作功功为为代代价价，也也就是引起了其他变化。就是引起了其他变化。（1）克劳修斯表述：）克劳修斯表述：热量不能自发地从热量不能自发地从低温物体传到高温物体低温物体传到高温物体.二二.热力学第二定律热力学第二定律 电冰箱的内部温电冰箱的内部温度比外部温度低，为度比外部温度低，为什么致冷系统还能不什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给断地把箱内热量传给外界的空气？外界的空气？电冰箱工作时违反热力学第二定律吗？电冰箱工作时违反热力学第二定律吗？因为电冰箱消耗了电因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量就不能把其内部的热量传给外界的空气了相传给外界的空气了相反，外界的热量会自发反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温地传给电冰箱，使其温度逐渐升高度逐渐升高 贮藏的贮藏的食品食品大气大气电冰箱制电冰箱制冷系统冷系统v 热传导的过程是有方向性的，这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行，但是向相反的方向却不能自发地进行。发地进行。v 要实现相反方向的过程，必须借要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。响或引起其它变化。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。(汽油机、柴油机、汽油机、柴油机、蒸汽轮机、喷气发动机等）蒸汽轮机、喷气发动机等）原理：燃料燃烧产生热量原理：燃料燃烧产生热量 Q1（高温热源）（高温热源）燃料中化学能燃料中化学能 转化为工作物质的内能。转化为工作物质的内能。推动活塞对外做功推动活塞对外做功 W工作物质内能变成机械能工作物质内能变成机械能排出废气向外界（低温热源）放热排出废气向外界（低温热源）放热 Q2机械能与内能转化的方向性的进一步讨论机械能与内能转化的方向性的进一步讨论热机能流图热机能流图燃料产生燃料产生的热量的热量Q输出机输出机械功械功W漏气热损漏气热损散热热损散热热损摩擦热损摩擦热损效率：由能量守恒定律知道效率：由能量守恒定律知道 Q1=W+Q2 热机的效率热机的效率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热机W热机的效率小于热机的效率小于100%，就不可能，就不可能把从高温热源吸把从高温热源吸收的热量全部转收的热量全部转化为机械能，总化为机械能，总有一部分热量散有一部分热量散发到冷凝器或大发到冷凝器或大气中。气中。机械能与内能转化的方向性的进一步讨论机械能与内能转化的方向性的进一步讨论热机工作时的能流分配热机工作时的能流分配例如，利用热机例如，利用热机循环循环，吸热可对外作出功来吸热可对外作出功来但实但实际热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量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。时，气体的体积增大了。（2）开开尔尔文文表表述述：不不可可能能从从单单一一热热源源吸吸取取热热量量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。使之完全变成有用的功而不产生其他影响。二二.热力学第二定律热力学第二定律 开尔文表述揭示机械能与内能转化方向开尔文表述揭示机械能与内能转化方向性性机械能可以全部转化为内能，而内能无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法全部用来做功以转换成机械能定律的两种表述 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（传到高温物体而不引起其它变化（即热量不会即热量不会自发地自发地从低温物体传到高温物体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)v1.两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，两种表述都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称为热力学第二定律v2.对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。作为热力学第二定律的表述。v3.热力学第二定律的意义热力学第二定律的意义 提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，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个重要自然规律是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律对热力学第二定律的理解对热力学第二定律的理解第二类永动机第二类永动机v任何物体都具有内能，在地球上贮存量十分丰任何物体都具有内能，在地球上贮存量十分丰富的海水总质量约达富的海水总质量约达1.41018吨，它的温度只吨，它的温度只要降低要降低1，就能释放相当于，就能释放相当于1800万个功率为万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量，足够全世万千瓦的核电站一年的发电量，足够全世界使用界使用4000年。而人类都不能利用这种年。而人类都不能利用这种“新能新能源源”，其原因是什么？，其原因是什么？v是因为涉及物理学的一个基本定律是因为涉及物理学的一个基本定律热力学热力学第二定律第二定律第二类永动机第二类永动机v1.第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源吸收第二类永动机：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他变化的热机叫做热量，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。v2.第二类永动机不可能制成！表示机械能和内能的转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，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化他变化v3.第一类永动机和第二类永动机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）。具有方向性的规律（热力学第二定律）。热力学第二定律的另一种表述就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。是：第二类永动机不可能制成。小结小结 ：v热力学第二定律有常见的两种热力学第二定律有常见的两种表述，提示了有大量分子参与表述，提示了有大量分子参与的宏观过程的宏观过程(即与热现象有关的即与热现象有关的宏观过程宏观过程)的方向性，第二类永的方向性，第二类永动机不可能制成。动机不可能制成。例例1.1.下列说法正确的是下列说法正确的是 ()()A A在自然条件下，热传递的过程是不可在自然条件下，热传递的过程是不可逆的逆的 B B热量不可能由高温物体传递给低温物热量不可能由高温物体传递给低温物体体CC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2.2.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 CC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3.3.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CC分子间的作用力总是随分子间的距离增分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小大而减小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