《熱力學(xué)第二定律》素養(yǎng)課件

4熱力學(xué)第二定律

【思考】問題1:墨水在水中的擴散最終均勻嗎?問題2:變的均勻的淡藍色的水,能自動地把滴入水中的墨點聚合到一塊變?yōu)槟螁?一、熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述提示:1.均勻2.不能1.熱傳導(dǎo)的方向性:一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是_________。2.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述:德國物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出:熱量不能自發(fā)地從_____物體傳到_____物體。熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述,闡述的是傳熱的_______。不可逆的低溫高溫方向性二、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述1.熱機:(1)熱機工作的兩個階段:第一個階段是燃燒燃料,把燃料中的_______變成工作物質(zhì)的_____。第二個階段是工作物質(zhì)對外_____,把自己的內(nèi)能變成_______。(2)熱機的效率:熱機輸出的________與燃料產(chǎn)生的______的比值。用公式表示為η=______。2.開爾文表述:不可能從單一熱庫吸收熱量,使之___________,而不產(chǎn)生其他影響。(該表述闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)化學(xué)能內(nèi)能做功機械能機械功W熱量Q完全變成功3.熱力學(xué)第二定律的其他描述:(1)一切宏觀自然過程的進行都具有_______。(2)氣體向真空的自由膨脹是_______的。(3)第二類永動機是不可能制成的。方向性不可逆4.第二類永動機:(1)定義:只從單一熱庫吸收熱量,使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C。(2)第二類永動機不可能制成的原因:雖然第二類永動機不違反_____________,但大量的事實證明,在任何情況下,熱機都不可能只有一個熱庫,熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)釒?。能量守恒定?.單一熱庫:指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)。若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定,則構(gòu)成機器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作,從而可以對外做功。據(jù)報道,有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。知識點一熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用2.其他影響:(1)除了從單一熱庫吸收的熱量以及所做的功以外的其他一切影響。(2)除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到熱量外,其他一切影響和變化。3.關(guān)于“不可能”:實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時,除了從單一熱庫吸收熱量對外做功,以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝?過程所產(chǎn)生的其他一切影響,不論用任何曲折復(fù)雜的辦法都不可能加以消除。4.適用條件:只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程,而不適用于少量的微觀體系,也不能把它擴展到無限的宇宙?！舅伎肌び懻摗壳榫?如圖是熱量在傳遞過程中的情景。討論:(1)在自然過程中熱量是如何傳遞的? (科學(xué)思維)提示:熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體,或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調(diào)和冰箱是如何傳遞熱量的? (科學(xué)思維)提示:空調(diào)和冰箱可以通過電機做功,把熱量從溫度比較低的房間內(nèi)或冰箱內(nèi)傳遞到房間外或冰箱外?！镜淅痉丁?多選)下列現(xiàn)象不可能發(fā)生的是(

)A.在一與外界絕熱的房間內(nèi),將一臺正在工作的電冰箱的門打開,能使該房間降溫B.蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能C.一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來,物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D.在熱傳導(dǎo)中,熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體考查角度1熱傳遞方向性的應(yīng)用【解析】選A、B。在一與外界絕熱的房間內(nèi),將一臺正在工作的電冰箱的門打開,消耗了電能,產(chǎn)生了焦耳熱,所以房間溫度不僅不能降低還會升高,故A不可能發(fā)生;蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能,轉(zhuǎn)化過程中必然存在能量耗散,故B不可能發(fā)生;一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來,物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,C可能發(fā)生;在熱傳導(dǎo)中,熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體,D可能發(fā)生?！镜淅痉丁?多選)下列關(guān)于宏觀物體的熱現(xiàn)象的說法中正確的是(

)A.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B.一切不違背能量守恒定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的C.由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進行D.一切物理過程都不可能自發(fā)地進行E.功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆的考查角度2熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用【解析】選A、C、E。熱力學(xué)第二定律是反映宏觀自然過程的方向性的定律,熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,但可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體;并不是所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能實現(xiàn),故A、C正確,B、D錯誤;一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆的,故E正確?！菊`區(qū)警示】對熱力學(xué)第二定律理解的兩個誤區(qū)(1)誤認(rèn)為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體,不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體,也可以由低溫物體傳到高溫物體;但是,前者可以自發(fā)完成,而后者則必須有外界參與。(2)誤認(rèn)為機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機械能。機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機械能;但是,前者可以不產(chǎn)生其他影響,而后者一定會產(chǎn)生其他影響?！径ㄏ蛴?xùn)練】1.熱現(xiàn)象的描述正確的是 (

)A.滿足能量守恒定律的宏觀過程都可以自發(fā)進行B.做功和熱傳遞都通過能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能C.電冰箱的工作過程表明,熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞D.溫度不同的兩塊金屬接觸,達到熱平衡后,它們具有的相同的物理量是熱量【解析】選C。滿足能量守恒定律的宏觀過程不一定都可以自發(fā)進行,例如熱量由低溫物體向高溫物體的傳遞,選項A錯誤;做功是通過能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能,而熱傳遞是通過能量的轉(zhuǎn)移來改變物體的內(nèi)能的,選項B錯誤;電冰箱的工作過程表明,熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞,選項C正確;溫度不同的兩塊金屬接觸,達到熱平衡后,它們具有的相同的物理量是溫度,選項D錯誤。2.(多選)下列說法正確的是 (

)A.自然界發(fā)生的宏觀熱現(xiàn)象的過程一定是不可逆過程B.第二類永動機不能成功是因為其違反了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律C.目前實驗室已獲得的最低溫度為2.4×10-11K,將來完全有可能獲得絕對零度D.對任何一類宏觀自然過程進行方向的說明,都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述,例如:氣體向真空的自由膨脹是不可逆的【解析】選A、D。熱力學(xué)第二定律表明:自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性,是不可逆的。第二類永動機不能成功是因為其違反了熱力學(xué)第二定律;絕對零度只能接近不可達到,故選項A、D正確,B、C錯誤?！狙a償訓(xùn)練】(多選)用兩種不同材料的金屬絲組成一個回路,接觸點1插在熱水中,接觸點2插在冷水中,如圖所示,電流計指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn),這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象。關(guān)于這一現(xiàn)象的正確說法是 (

)A.這一實驗不違背熱力學(xué)第二定律B.在實驗過程中,熱水溫度降低,冷水溫度升高C.在實驗過程中,熱水的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能,電能則部分轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能D.在實驗過程中,熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能,電能則全部轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能【解析】選A、B。自然界中的任何自然現(xiàn)象或過程都不違反熱力學(xué)定律,本實驗現(xiàn)象也不違反熱力學(xué)第二定律,A正確;整個過程中能量守恒且熱傳遞有方向性,B正確;在實驗過程中,熱水中的內(nèi)能除轉(zhuǎn)化為電能外,還升高了金屬絲的溫度,內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為電能;電能除轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能外,還升高了金屬絲的溫度,電能不能全部轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能,C、D錯誤。1.熱機的特點:(1)熱機不僅僅只有一個熱庫。(2)熱機的效率不可能達到100%。2.第二類永動機不能制成的原因:違反了熱力學(xué)第二定律(不違反能量守恒定律)。知識點二熱機和第二類永動機3.第二類永動機不能制成的意義:(1)機械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化成機械能。(2)機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。(3)兩類永動機的比較。第一類永動機:不消耗任何能量,可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后,可以永遠運動下去)。第二類永動機:將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能,而不引起其他變化(或只有一個熱源,實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)。【思考·討論】情境:如圖所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖,請在圖片基礎(chǔ)上思考以下問題:討論:(1)制冷機工作時熱量是自發(fā)地從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒靻?(物理觀念)(2)熱機工作時是否將從高溫?zé)釒煳盏臒崃咳坑脕碜龉?(物理觀念)提示:(1)不是。熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒鞎r需要有外界做功。(2)否。熱機工作時只將從高溫?zé)釒煳諢崃康囊徊糠钟脕碜龉?剩余的釋放到低溫?zé)釒??！镜淅痉丁?多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律,下列說法正確的是(

)A.熱機中燃氣的內(nèi)能不可能全部變成機械能B.電能不可能全部轉(zhuǎn)變成內(nèi)能C.在火力發(fā)電機中,燃氣的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變成電能D.在熱傳導(dǎo)中,熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體【解析】選A、C、D。熱力學(xué)第二定律指明了宏觀熱現(xiàn)象具有方向性,利用這一方向性特點進行分析。凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性。無論采用任何設(shè)備和手段進行能量轉(zhuǎn)化,總是遵循“機械能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能”,故A正確;由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知,電能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,故B錯誤;火力發(fā)電機發(fā)電時,能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機械能→電能,因為內(nèi)能→機械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量,故燃氣的內(nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?C正確;熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進行,必須借助外界的幫助,結(jié)果會帶來其他影響,這正是熱力學(xué)第二定律第一種(克氏)表述的主要思想,故D正確?！疽?guī)律方法】永動機問題的分析思路(1)熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的一種表述形式,是從能的角度揭示不同物質(zhì)運動形式相互轉(zhuǎn)化的可能性。告誡人們:第一類永動機不可能制成。(2)熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性。如機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化,進一步揭示了各種有關(guān)熱的物理過程都具有方向性。告誡人們:第二類永動機不可能制成?！径ㄏ蛴?xùn)練】1.(多選)關(guān)于第二類永動機,下列說法正確的是(

)A.沒有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功,而不引起其他變化的熱機叫作第二類永動機B.第二類永動機違反了能量守恒定律,所以不可能制成C.第二類永動機不可能制成,說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能D.第二類永動機不可能制成,說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能,同時不引起其他變化【解析】選A、D。根據(jù)第二類永動機的定義可知A正確,第二類永動機不違反能量守恒定律,而是違反熱力學(xué)第二定律,所以B錯誤。機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能在引起其他變化時可能全部轉(zhuǎn)化為機械能,C錯誤,D正確。2.(多選)如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖,壓縮機工作時,強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量,經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化,放出熱量到箱體外。下列說法正確的是(

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A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界,是因為其消耗了電能C.電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第一定律D.電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律【解析】選B、C。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,必須借助于其他系統(tǒng)做功,A錯誤,B正確;熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律,是能量守恒定律的具體表現(xiàn),