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第4节 热力学第二定律
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。
2．开尔文表述：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。 3．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，即η＝，W WQ 一、自然过程的方向性 1．热传导具有方向性：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，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。 2．气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开而成为两种不同的气体。 3．机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。 4．气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，容器变为真空。 5．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 6．热力学第二定律：反映宏观自然过程的方向性的定律。 二、热力学第二定律的两种表述 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，这就是热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是热传递的方向性。 2．开尔文表述 1 百度文库 - 让每个人平等地提升自我 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。(即机械能与内能转化具有方向性) 3．对热力学第二定律的理解 热力学第二定律的两种表述是等价的，也可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 4．第二类永动机 (1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化的热机。 (2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库。 1．自主思考——判一判 (1)温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从低温物体传给高温物体。(×) (2)第二类永动机违反了热力学第二定律。(√) (3)热机的效率可以达到100%。(×) (4)一切与热现象有关的微观自然过程都是不可逆的。(×) (5)第二类永动机违反了能量守恒定律。(×) (6)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。(×) 2．合作探究——议一议 (1)温度不同的两个物体接触时，热量会从低温物体传给高温物体吗？ 提示：会。温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，要使热量从低温物体传给高温物体，必须借助其他帮助，如电冰箱的工作。 (2)两个不同的物体接触时，热量自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么？ 提示：“自发地”的含义是指没有任何外界影响或者其他帮助。 (3)我们假想：发明一种热机，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，而不引起其他变化，这是否可能？ 提示：热机不能把它得到的内能全部转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q，即使是理想热机，没有摩擦，没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中。 2 百度文库 - 让每个人平等地提升自我 对热力学第二定律的理解 1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”、“单一热库”、“不可能”的涵义 (1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性。在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。 (2)“不产生其他影响”的涵义是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。 (3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，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，不论用任何的办法都不可能加以消除。 2．热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 3．热力学第二定律的其他描述 (1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性。 (2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 (3)第二类永动机是不可能制成的。 1．(多选)热力学第二定律指出( ) A．气体的扩散过程具有方向性 B．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性 C．热机效率η≤1 D．大量分子参与的宏观过程具有方向性 解析：选AD 由热力学第二定律知，气体的扩散现象具有方向性，并不是一切形式的能量间的相互转化都具有方向性，如动能和势能的相互转化，故A正确，B错误；热机效率只能小于1，不可能等于1，故C错误；一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，故D正确。 2．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是( ) 3 百度文库 - 让每个人平等地提升自我 A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量 B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加 C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功 D．不可能使热量从低温物体传向高温物体 E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 解析：选ACE 改变内能的方法有做功和热传递两种，所以为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，A项正确；对物体做功的同时物体向外界放热，则物体的内能可能不变或减小，B项错误；根据热力学第二定律可知，在对外界有影响的前提下，可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，C项正确；在有外界做功的条件下，可以使热量从低温物体传递到高温物体，D项错误；根据热力学第二定律可知，E项正确。 热力学第二定律与热力学第一定律比较 1．两个定律比较：①热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中，总的能量保持不变。②热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关的宏观自然过程具有不可逆性。 2．两类永动机的比较 设计要求 不可能的原因 第一类永动机 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) 违背了能量守恒定律 第二类永动机 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) 违背了热力学第二定律 1．(多选)下列说法中正确的是( ) A．第一类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律 B．第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律 C．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的 D．热力学第二定律的两种表述是等价的 解析：选ACD 第一类永动机是想“创生”能量，违反了能量守恒定律，第二类永动机是想使热机效率η＝1，违反了热力学第二定律(没有违反能量守恒定律)，A正确，B错误；热力学第一定律是能量守恒定律在内能与其他形式能转换时的具体表达，热力学第二定律指 4 百度文库 - 让每个人平等地提升自我 出了自然界中与热现象有关的宏观过程都具有方向性。它们分别从不同侧面揭示了热现象的本质，是相互独立的，热力学第二定律的两种表述是等价的，C、D正确。 2．关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是( ) A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律 B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律 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，但同时做功和热传递一定会改变内能 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 解析：选D 第一类永动机违反热力学第一定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但不引起其他变化是不可能的，D对。 3．(多选)根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有( ) A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体 B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体 C．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能 D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能 解析：选BD 由热力学第二定律克劳修斯表述知，热量可以自发地从高温物体传给低温物体，当外界对系统做功时，也可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体，冰箱就是这样的装置，故A错误，B正确。机械能可以全部转化为内能，如在水平地面上运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终静止，这个过程中机械能全部转化为内能，当外界条件发生变化时，内能也可以全部转化为机械能，如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功，故C错误，D正确。 1．热力学定律表明自然界中进行的热现象的宏观过程( ) A．有的只遵守热力学第一定律 B．有的只遵守热力学第二定律 C．有的既不遵守热力学第一定律，也不遵守热力学第二定律 D．所有的都遵守热力学第一、第二定律 解析：选D 热力学第一、第二定律是热力学的基本定律，对所有涉及热现象的宏观过程都成立。故选项D正确，A、B、C错误。 2．(多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的有( ) 5
2017_2018学年高中物理第十章热力学定律第4节热力学第二定律教学案新人教版选修3_3
