第3节热力学第二定律.ppt

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1、新课标人教版课件系列高中物理选修选修3-33-310.4热力学第二定律教学目标 知识与技能知识与技能1.了解热传递过程的方向性。2.知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质。3.知道什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。过程与方法过程与方法1热力学第二定律的表述方式与其他物理定律的表述方式有一个显著不同，它是用否定语句表述的。2热力学第二定律的表述不只一种，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，学习本节时注意这一方法。情感、态度与价值观情感、态度与价值观通过学习热力学第二定律，可以使学生明白热机的效率不会达到100%，我们只能想办

2、法尽量提高热机的效率，但不能渴求达到100%。自然界发生的一切过程中的能量都是守恒的，但不违背能量守恒定律的宏观过程并都能发生。【重点、难点分析重点、难点分析】：重点：热力学第二定律两种常见的表述。难点：难点：1.热力学第二定律的开尔文表述。2.自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。【课时安排课时安排】：1课时 【教具准备教具准备】：教师：多媒体课件，一个电冰箱模型，一盆凉水，准备一个酒精灯和一个铁块，铁钳。学生：课前预习课文，在家观察自家的电冰箱。问题提出：问题提出：我们在初中学过，当物体温度升高时，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，就要吸收热量；当

3、物体温度降低时，就要放出热量。而且热量公式就要放出热量。而且热量公式Q=Q=cmtcmt，这里有一个有趣的问题：地，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水球上有大量的海水,它的总质量约为它的总质量约为1.41.4101018 18 t,t,如果这些海水的温度降低如果这些海水的温度降低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?海水海水的比热容为的比热容为C=4.2C=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18001800万个核万个核电站一年的发电量电站一年的发电量 热量从温度高的物体热量

4、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体传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，高温物体的温给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。度越来越高。电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能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？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

5、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 任何自发任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。变化的逆过程是不能自动进行的。贮藏的贮藏的食品食品大气大气电冰箱制冷系统 热量却不能自发地

6、从低温物体传向高温物体热量却不能自发地从低温物体传向高温物体 要将热量从低温物体传向高温物体，必须有外要将热量从低温物体传向高温物体，必须有外界的影响和帮助，就是要有外界对其做功才能完界的影响和帮助，就是要有外界对其做功才能完成成热传导的方向性热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体；要时，热量会自发地从高温物体传给低温物体；要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。其他影响或引起其他变化。结论结论:热力学第二定律的一种表述热力学第二定律的一种表述:热量不热量

7、不能自发地从低温物体传到高温物体。能自发地从低温物体传到高温物体。这是这是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。热力学第二定律的克劳修斯表述实热力学第二定律的克劳修斯表述实质上就是：质上就是：热传递过程是不可逆的。热传递过程是不可逆的。（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）一个在水平地面上的物体，一个在水平地面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，要停下来。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，使物体和地面的温度升高。使物体和地面的温度升高。降温 我们能不能看到这样的现象：一我们能不

8、能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来能，使这个物体运动起来思考讨论下列问题：思考讨论下列问题：1.1.前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是什么？什么？（违背了能量守恒）（违背了能量守恒）2.2.热机是一种把什么能转化成什么能的装置？热机是一种把什么能转化成什么能的装置？(热机是一种把内能转化成机械能的装置热机是一种把内能转化成机械能的装置)3.3.热机的效率能否达到热机的效率能否达到100%100%？(热机的效率不能达

9、到热机的效率不能达到100%)100%)以内燃机为例，气缸中的气以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为体得到燃烧时产生的热量为QQ1 1，推动活塞做工，推动活塞做工WW，然，然后排出废气，同时把热量后排出废气，同时把热量QQ2 2散发到大气中，散发到大气中，由能量守恒定律可知：由能量守恒定律可知：QQ1 1 =W+Q=W+Q2 2我们把热机做的功我们把热机做的功WW和它和它从热源吸收的热量从热源吸收的热量QQ1 1的比的比值叫做热机的效率，用值叫做热机的效率，用 表表示示=W/Q=W/Q1 1实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须

10、有热源和冷凝器，热机工作时，总能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量一部分热量QQ2 2，所以有：，所以有：QQ1 1WW因此，热机的效率不可能达到因此，热机的效率不可能达到100%100%，汽车上，汽车上的汽油机械效率只有的汽油机械效率只有20%20%30%30%，蒸汽轮机的，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到效率比较高，也只能达到60%60%，即使是理想热，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也机，没有摩擦，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，不可能

11、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。热转换为功的过程也是不可逆的，具有方向性。热转换为功的过程也是不可逆的，具有方向性。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 机械能可以全部转化成内能，但内能却不能机械能可以全部转化成内能，但内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化。全部转化成机械能，同时不引起其他变化。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（机械能与内能转化具有方向性）（机械

12、能与内能转化具有方向性）第二类永动机：人们把想象中能第二类永动机：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用来做功而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机。热机叫做第二类永动机。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

13、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 热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。（自然界中进行的涉及热现

14、象的宏观过程都具方向性。（自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性）。有方向性）。不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。违背热力学第一定律的过程都不可能发生。违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。自然过程是按一定方向进行的。热学过程的方向性（实例）热学过程的方向性（实例）热学过程的方向性（实例）热学过程的方向性（实例）1 1、热传导的

15、方向性、热传导的方向性2 2、扩散现象有方向性、扩散现象有方向性ABAB “气体向真空中绝热自由膨胀的过程是气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不不可逆可逆的的”热学过程的方向性（实例）热学过程的方向性（实例）热学过程的方向性（实例）热学过程的方向性（实例）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、能量转化有方向性功功功功 热热热热：可自动进行：可自动进行：可自动进行：可自动进行(如摩擦生热、焦耳实验如摩擦生

16、热、焦耳实验如摩擦生热、焦耳实验如摩擦生热、焦耳实验)热热 功：功：不可自动进行不可自动进行(焦耳实验中，不可能水温自动焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使重物升高降低推动叶片而使重物升高)水水叶片叶片焦耳实验焦耳实验 它们都不可能制成，第一类永它们都不可能制成，第一类永动机的设想违反了能量守恒定律；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，但违背了跟热现象量守恒定律，但违背了跟热现象相联系的宏观过程具有方向性的相联系的宏观过程具有方向性的自然规律。自然规律。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v热力学第一定

17、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，定律是构成热力学知识的理论基础，前者对自然过程没有任何限制，只前者对自然过程没有任何限制，只指出在任何热力学过程中能量不会指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，反映的是物体有任何增加或损失，反映的是物体内能的变化与热量、做功的定量关内能的变化与热量、做功的定量关系；后者则是解决哪些过程可以自系；后者则是解决哪些过程可以自发地发生，哪些过程必须借助于外发地发生，哪些过程必须借助于外界条件才能进行。界条件才能进行。例题分析：例题分析：例题分析：例题分析：v

18、 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vA.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vB 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vCC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vD 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v 解析解析 根据热力学第二定律可知，凡与热现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

19、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、CC、D D正正确确例例2.2.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

20、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CC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

21、可能由高温物体传递给低温物体物体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产制造一种机器，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生的热量全部收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

22、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 CC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

23、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，下列说法中正确的关于第二类永动机，下列说法中正确的是是 ()()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CC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

24、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CC

25、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例例8.8.用两种不同的金属丝组成一个回路，触点用两种不同的金属丝组成一个回路，触点1 1插在插在热水中，触点热水中，触点2 2插在冷水中，如图所示，电流表指针插在冷水中，如图所示，电流表指针会发生偏转，这就是温差发电现象。下列有关温差会发生偏转，这就是温差发电现象。下列有关温差发电现象的说法中，正确的是（发电现象的说法中，正确的是（）A A该实验符合能量转化守恒定律，但违背了热力学该实验符合能量转化守恒定律，但违背了热力学第二定律第二定律B B该实验中有部分内能转化为电路的电能该实验中有部分内能转化为电路的电能CC该实验中热水的温度降低，冷水的温度不变该实验中热水的温度降低，冷水的温度不变D D该实验中热水的温度降低，冷水的温度升高该实验中热水的温度降低，冷水的温度升高康康铜丝铜丝铜丝铜丝BD