高中物理第十章热力学定律第4节热力学第二定律导学案新人教版选修3-31 5页

4　热力学第二定律内容要求热力学第二定律通过自然界中热传导的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，知道热力学第二定律的两种不同表述及实质，能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。第二类永动机了解什么是第二类永动机，能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因。有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所产生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化。这是一个非常诱人的设想，并且这种设想并不违背能量守恒定律，如果真能造出这样的热机，“能源问题”也就解决了。同学们想一下，这样的热机能制成吗？为什么？提示：不能制成，因为它违背了热力学第二定律。一、热传导的方向性1．温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从____物体传给____物体，但不会自发地从____物体传给____物体，这说明热传导的过程具有____性。2．无数事实告诉我们，一切与热现象有关的宏观自然过程都是______的。思考1：结合电冰箱的工作情况想一下，热传导的方向性是否说明“热量不能从低温物体传给高温物体”？二、热力学第二定律1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的______的定律就是热力学第二定律。2．表述(1)克劳修斯表述：热量不能______从低温物体传到高温物体。(该表述阐述的是传热的______)(2)开尔文表述：不可能从单一热库________，使之完全变成____，而不产生其他影响。(该表述阐述的是机械能与内能转化的______)(3)其他表述：对任何一类宏观自然过程进行____的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如，热力学第二定律可以表述为：气体向真空的自由膨胀是______的。三、热机和第二类永动机1．热机(1)热机工作的两个阶段第一个阶段是________，把燃料中的____能变成工作物质的____。第二个阶段是工作物质________，把自己的____能变成____能。(2)热机的效率热机输出的__________与燃料产生的热量Q的比值叫做热机的效率，用公式可表述为η＝__________。2．第二类永动机(1)定义：只从单一热库吸收热量，并使之完全变成有用功而不产生________的热机。(2)第二类永动机不可制成的原因：违背了__________定律。思考2：如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气，没有摩擦，也没有机体热量损失，是不是能使热机的效率达到100%? 答案：一、1.高温　低温　低温　高温　方向2．不可逆思考1提示：不能，这是因为热量能从低温物体传向高温物体，只不过不能自发进行，而是需要外界帮助。二、1.方向性2．(1)自发地　方向性　(2)吸收热量　功　方向性　(3)方向　不可逆三、1.(1)燃烧燃料　化学　内能　对外做功　内　机械　(2)机械功W　2．(1)其他影响　(2)热力学第二思考2提示：不能，这是因为由热力学第二定律可知热机的工作物质吸收的热量不能完全用来对外做功。一、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”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。“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。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，进而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．对热力学第二定律的两种表述等价性的证明两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的。下面给出证明：设表述(1)不成立，如图所示，低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2。那么，我们可在高温热源T1和低温热源T2之间设置一热机，使它从高温热源吸收热量Q1，对外做功W，并把热量Q2传递给低温热源。当这一过程完成之时，低温热源由于吸热和放热相等，没有引起其他变化。高温热源放出热量Q1大于吸收热量Q2，热机对外做功W＝Q1－Q2，相当于高温热源放出的热量全部用来对外做功，且没有引起其他变化，也就是说单一热源所放出的热量全部用来做功。这显然是违反表述(2)的。即凡违反表述(1)的说法，必然违反表述(2)。反之，也可以证明，凡违反表述(2)的，也必然违反表述(1)。热力学第二定律的提出具有如下意义：(1)揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(或自然界中实际的宏观过程)都具有方向性。(2)说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的，即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性。二、热力学第一定律与热力学第二定律的比较1．关于摩擦生热：热力学第一定律中，滑动摩擦力做功可以全部转化为热。热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全变成功。 2．关于热量的传递：热力学第一定律说明，热量可以从高温物体自动传向低温物体，而热力学第二定律却说明热量不能自动地从低温物体传向高温物体。3．关于能量：热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒，热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现，能量转化有方向性。4．两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。三、两类永动机的比较分类第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量，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)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)不可能的原因违背了能的转化与守恒定律违背了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。类型一对热力学第二定律的理解及应用【例1】如图所示，汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁接触光滑，但不漏气，现将活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法中正确的是(　　)。A．气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律B．气体是从单一热库吸热，但并未全用来对外做功，因此此过程不违反热力学第二定律C．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律D．以上三种说法都不正确点拨：熟记热力学第二定律的两种表述并准确理解其含义是正确处理此类问题的关键。解析：由于气体始终通过汽缸壁与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，所以汽缸内的气体温度也不变。要保持其内能不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律。此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生。答案：C题后反思：根据热力学第二定律的两种表述可知，热量可以从低温物体传向高温物体，内能也可以全部转化为机械能，但要引起其他变化或借助外界的帮助。百度文库-让每个人平等地提升自我触类旁通：本题中“活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功”能自发进行吗？类型二热力学第一定律与热力学第二定律的比较【例2】关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述中正确的是(　　)。A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别D．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律 点拨：准确透彻地理解热力学第一定律和热力学第二定律的几种表达方式是解答本题的关键。解析：热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故C、D项错误，B项正确；内能在一定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作还要消耗电能，故A项错误。答案：B题后反思：热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，并不违背能量守恒定律，热力学第一定律揭示了能量守恒定律中的内能变化的方式。答案：触类旁通答案：不能。1．随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，近期油价不断攀升，已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一，下列有关能量转化的说法中正确的是(　　)。A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他的变化B．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C．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行D．外界对物体做功，物体的内能必然增加2．(2011·三亚高二检测)下列说法中正确的是(　　)。A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性B．热量不可能由低温物体传给高温物体C．气体的扩散过程具有方向性D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性3．关于第二类永动机，下列说法中正确的是(　　)。A．它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律B．它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律C．它不违反热力学第一定律，却违反了热力学第二定律D．它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律4．关于两类永动机和热力学两个规律，下列说法中正确的是(　　)。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，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的答案：1．A　由热力学第二定律的开尔文表述可知A项正确；热机效率总低于100%，B项错误；满足能量守恒的过程未必能自发进行，任何过程一定满足热力学第二定律，C项错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即内能不一定增加，D项错误。2．C　热力学第二定律反映的是所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、D项错误；热量不是不能从低温物体传给高温物体，关键是看能否还产生其他影响，B项错误；气体的扩散过程具有方向性，C项正确。3．C　第二类永动机仍然遵循能量守恒定律，所以不违反热力学第一定律，但能量的转化和转移具有一定的方向性，它违反了热力学第二定律。4．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项错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q 可以等于0，C项错误；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项正确。