4　热力学第二定律 (3)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,湘西州民族中学,2017,级物理备课组,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,湘西州民族中学,2017,级物理备课组,10.4,热力学第二定律,高温热库,T,1,低温热库,T,2,W,贮藏的食品,大气,电冰箱制冷系统,热量,热量,电源,做功,问题的引入,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,1.410,18,吨，它的温度,只要,降低,1,o,C,，,就能释放相当于,1800,万个,功率为,100,万千瓦的核电站,一年的发电量，足够全世界使用,4000,年,。而人类都,不能,利用这种“新能源”，究其原因，是因为涉及,物理学的一个基本定律,热力学第二定律,思考：,根据能量守恒定律，在自然界发生的一切过程中,能量都是守恒的,。那么符合能量守恒的宏观过程,是否,都能发生呢？,思考与讨论：,下面,我们设想了一些过程,这些过程都,不违背,能量守恒定律,但是你,见到过这些现象吗,?,1.把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中,过一会儿,鸡蛋的温度降低,水的温度升高,最后水和鸡蛋的温度相同。,是否可能发生这样的现象:,原来温度相同的水和鸡蛋,过会儿水的温度,自发,地降低而鸡蛋温度上升,生蛋变成了熟蛋?,2.一滴墨水滴进一杯清水中,不久整杯水都均匀地变黑了。,有没有这样的,“,逆过程,”,:这杯均匀黑水中的小炭粒又,自发,地聚集在一起,成为一滴墨水,而其余部分又变成了清水?,结论,1,：,热量自发地由高温物体向低温物体传递的,过程是不可逆的。,结论,2,：,扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。,4.装着压缩气体 的钢瓶,打开阀门后会听到,“,哧,”,一声,气体喷到外面。,会不会有这样的现象:,外面的气体,自发,地进入钢瓶,使瓶内的压强变大?,思考与讨论：,下面,我们设想了一些过程,这些过程都,不违背,能量守恒定律,但是你,见到过这些现象吗,?,3.在平地上滚动的足球克服摩擦力做功,其动能转化为内能,最终停了下来,同时足球、地面及周围空气的温度略有上升。,会不会有这样的现象:,静止的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能,并将释放出的内能全部转化为动能,让足球又滚动起来?,结论,3,：,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可逆的。,结论,4,：,气体膨胀,(,绝热自由膨胀,),的过程是不可逆的。,一,.,自然过程的方向性,一切,与热现象有关的,宏观自然过程都是,不可逆的,。,二,.,热力学第二定律,在物理学中，,反映宏观自然过程的方向性的定律,就是热力学第二定律,1.,热力学第二定律的表述,热二律的,表述,有,60-70,种,传 热,热功转换,1850,年,克劳修斯表述,热量传递的角度,1851,年,开尔文表述,热功转换的角度,克劳修斯表述指明,热传导,过程是,不可逆,的。,（,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,.,高温,低温,理解“,自发,”：,当两个物体接触时，不需要第三者介入、不会对任何第三者产生影响，热量就能从一个物体传递到另外一个物体。,低温,高温,自发,自发,二,.,热力学第二定律,说明,：,（,1,）克劳修斯表述中强调了,“,在不引起其它的变化的条件下，热量不可能从低温物体传到高温物体。,”,（,2,）如果允许,“,其它变化,”,，例如利用致冷机做功，热量可以从低温物体传到高温物体上，而致冷机做功就属于,“,其它变化,”,。,（,3,）如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源。按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，它无需消耗功就能致冷。克劳修斯表述否定了这种可能性。,电冰箱工作时违反热力学第二定律吗？,二,.,热力学第二定律,热量是不是不能从低温物体传给高温物体！,电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？,电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？,电冰箱工作时违反热力学第二定律吗？,因为电冰箱,消耗了电能,，对制冷系统做了功，,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,二,.,热力学第二定律,热量是不是不能从低温物体传给高温物体！,即：热量不可能从低温物体传到高温物体而,不产生其他影响,。,说明,：,“自发地”,过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。,热量可以,自发地,从高温物体传向低温物体，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“外界的影响或帮助”，就是要由,外界对其做功才能完成,。,电冰箱、空调,就是例子。,贮藏的食品,大气,电冰箱制冷系统,热量,热量,电源,做功,二,.,热力学第二定律,热机,：是一种把,内能,转化为,机械能,的装置。,(,汽油机、柴油机、蒸汽轮机、喷气发动机等）,一阶段：,燃料燃烧产生热量,Q,1,（高温热源）,（,燃料中化学能转化为工作物质的内能）,二阶段：,推动活塞对外做功,W,（,工作物质内能变成机械能）,热机能流图,燃料产生的热量,Q,输出机械功,W,漏气热损,散热热损,摩擦热损,工作原理和过程：,机械能与内能转化的方向性的进一步讨论,效率,：由能量守恒定律知道,Q,1,=,W,+,Q,2,热机的效率：,热机的效率小于,100%,，就,不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为机械能,，总有一部分热量散发到冷凝器或大气中。,热机工作时的能流分配,二,.,热力学第二定律,高温热库,T,1,低温热库,T,2,W,热机,不可能将从热源,吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给,冷源,。,冷源,:,容量无限大，取、放热其温度不变,例如，利用热机循环，吸热可对外作出功来但实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。,（,2,）开尔文表述：,不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而,不产生其他影响,。,开尔文表述揭示机械能与内能转化方向性,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换成机械能。,二,.,热力学第二定律,热源,冷凝器,吸热,Q,1,放热,Q,2,热机,做功,热力学第二定律的两种表述,开尔文表述,：,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。,（,按机械能与内能转化过程的方向来表述,）,二,.,热力学第二定律,克劳修斯表述,：,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,（,即热量不会自发地从低温物体传到高温物体,）。,（,按热传递的方向性来表述,）,第二类永动机,1.,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,不引起其它变化,叫做第二类永动机。,2.,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能，内能却不能在,不引起其他变化,全部,转化成机械能,3.,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具有方向性的规律,（热力学第二定律）,。,看一种热机设计方案是否可行，不仅要看是否遵守能量守恒定律，还要看是否满足热力学第二定律。,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。,热源,吸热,Q,1,热机,做功,冷凝器,说明,：,（,1,）开尔文表述否定了第二类永动机的可能性。历史上曾有人企图制造,“,一种循环动作的热机，只从单一热源吸收热量，使之全部变为功，而不向低温热源放出热量，或者说不引起其它变化。,”,这种热机称为第二类永动机或单热源热机，其效率,=100%,。虽然它不违背热力学第一定律，但它违背了热力学第二定律的开尔文表述。,（,2,）开尔文表述中强调了,“,在不产生其他影响的条件下，,热,不能全部变为,功,。,”,如果允许,“,其他影响,”,发生，热可以全部变为功。例如气缸中理想气体作等温膨胀时，气体从恒温热源吸收的热量就可以全部用来对外做功。但气体,“,体积和压强,”,发生了变化，它不能循环动作返回原状态。,在图10.4-6中,盒子中间有一个挡板,左室为真空,右室有气体。撤去挡板后右室的气体自发地向左室扩散,而相反的过程不可能自发地进行。,气体向真空的自由膨胀是不可逆的。,因此,热力学第二定律也可以表述为:,二,.,热力学第二定律,二,.,热力学第二定律,热力学第二定律的其他表述：,（,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,不可能,制成。,课堂要点小结,答案,自测,教材,P61,第,2,题改编,(,多选,),下列现象中能够发生的是,A.,一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热,B.,蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能,C.,桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离,D.,电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体,(,多选,)(2016,全国卷,33(1),关于热力学定律，下列说法正确的是,A.,气体吸热后温度一定升高,B.,对气体做功可以改变其内能,C.,理想气体等压膨胀过程一定放热,D.,热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,E.,如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡,答案,解析,解析,气体内能的改变,U,Q,W,，故对气体做功可改变气体的内能，,B,选项正确；,气体吸热为,Q,，但不确定外界做功,W,的情况，故不能确定气体温度的变化，,A,选项错误；,由热力学第二定律，,D,选项正确；,根据热平衡性质，,E,选项正确,.,谢谢观赏,点击下图观看视频,思考,会不会有这样的现象：,均匀混合的空气与溴气过一段时间会自发地变的界线分明？,气体扩散具有方向性,气体扩散具有方向性,动画：气体扩散的方向性,点击下图观看视频,思考：,有没有这样的,“,逆过程,”,：从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中，瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的压强。,气体膨胀具有方向性,