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  • 2021-05-26 发布

人教版高中物理选修3课件第10章 热力学定律-4热力学第二定律

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§4.热力学第二定律 § 一、热力学第二定律的一种表述 § 1.热传导的方向性 § (1)凡是实际的过程,只要涉及热现象,都有特定的 性;这些过程可以自发地朝某个 进行,而相反的过 程.即使不违背能量守恒定律,它们也不会 地进行. § (2)一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的. § 2.热力学第二定律的一种表述 § 热量不能 地从低温物体传到高温物体.这是热力学第二定 律的克劳修斯表述,阐述的是 的方向性. 方向 方向 自发 不可逆 自发 传热 § 二、热力学第二定律的另一种表述 § 1.热机 § (1)热机工作的两个阶段 § 第一个阶段是 ,把燃料中的 变 成工作物质的内能. § 第二个阶段是工作物质对外 ,把自己的内能 变成 . § (2)热机的效率:热机输出的 与燃料产生的 § 的比值.用公式表示为η= . 燃烧燃料 化学能 做功 机械能 机械功 热量 § 2.开尔文表述:不可能从 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). 单一热源 § 一、热力学第二定律理解中的几个问题 § 1.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. § 2.其他影响:指除了从单一热库吸收的热量, 以及所做的功以外的其他一切影响;或者除了 从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热 量外,其他一切影响和变化.不是不能从单一 热库吸收热量而对外做功,而是这样做的结果, 一定伴随着其他变化或影响.同样,也不是热 量不能从低温物体传到高温物体,而是指不产 生其他影响的自动热传递是不可能的. § 3.关于“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,不论用任何曲折 复杂的办法都不可能加以消除. § 4.两种表述是等价的 § 如果克劳修斯表达不成立,则开尔文表述也不 成立. § 5.热力学第二定律的实质 § 热力学第二定律的每一种描述,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. § 二、热力学第一、第二定律的比较及两类永动机的比较 § 1.热力学第一定律与热力学第二定律的比较 规律 区别 联系    热力学第一定律 热力学第二定律 区别 热力学第一定律是能量守 恒定律在热力学中的体现, 否定了创造能量和消灭能 量的可能性,从而否定了 第一类永动机 热力学第二定律反映了 一切与热现象有关的宏 观自然过程都是不可逆 的,从而否定了第二类 永动机 联系 两定律都是热力学基本定律,分别从不同角度揭示 了与热现象有关的物理过程所遵循的规律,二者相 互独立,又相互补充,都是热力学的理论基础 § 2.两类永动机的比较 比较项 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 不断地对外做功(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 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律 § 关于两类永动机和热力学的两个定律, 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,传热也不一定改变内能,但同时做功和传 热一定会改变内能 § 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 § 解析:  § 答案: D § 【反思总结】 第一类永动机违反能量守恒定律,第 二类永动机不违反能量守恒定律,但违反热力学第二 定律.热力学第一定律是能量守恒定律的一种具体形 式,而热力学第二定律反映的是热现象的方向性. § ◎ 教材资料分析 § 〔思考与讨论〕 § 地球上海水的总质量达1.4×1021 kg.如果把 这些海水的温度降低1 ℃,放出的热量就达 9×1018 kW·h,足够全世界使用4 000年.这 个设想不违背能量守恒定律,但是不能实现, 所以叫做第二类永动机.前面学到的,违背能 量守恒定律的永动机,叫做第一类永动机. § 学过热力学第二定律之后,你能说出为什么不 能制成第二类永动机吗? § 【点拨】 虽然第二类永动机不违反能量 守恒定律,大量的事实证明,在任何情况 下热机都不可能只有一个热源,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源. § 根据热力学第二定律分析,下列说法中正确的是(   ) § 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,也可以从低温物体传 到高温物体 § C.机械能可以全部转化为内能,但变化的内能不可以全部转 化为机械能 § D.机械能可以全部转化为内能,变化的内能也可以全部转化 为机械能 § 解析: § 答案: BD 选项 个性分析 A错误 根据传热的规律可知,热量可以自发地从高温物 体传到低温物体,但不能自发地(不需要外界帮助) 从低温物体传到高温物体。但是如果借助外界的 帮助.热量可以从低温物体传到高温物体 B正确 C错误 机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服 摩擦力做功而最终停止运动时,机械能全部转化 为内能);在一定条件下,变化的内能也可以全部 转化为机械能,如理想气体在等温膨胀过程中, 将吸收来的热量全部用来做功 D正确 § 【反思总结】 热量可以从高温物体传到 低温物体.也可以从低温物体传到高温物 体,只不过前者能自发地进行,后者必须 借助外界的帮助;机械能可以全部转化为 内能,而内能要全部转化为机械能,肯定 会引起其他变化 § 【跟踪发散】 1-1:关于永动机和热力学定 律的讨论,下列叙述正确的是(  ) § A.第二类永动机违反能量守恒定律 § B.如果物体从外界吸收了热量,则物体的内 能一定增加 § C.外界对物体做功,则物体的内能一定增加 § D.做功和热传递都可以改变物体的内能,但 从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式 是有区别的 § 解析: 第二类永动机违反热力学第二定律, 并不是违反能量守恒定律,故A错.据热力学 第二定律ΔU=Q+W知内能的变化由做功W和 热传递Q两个方面共同决定,只知道做功情况 或只知道传热情况无法确定内能的变化情况, 故B、C项错误.做功和热传递都可改变物体 内能.但做功是不同形式能的转化,而热传递 是同种形式能间的转移,这两种方式是有区别 的,故D正确. § 答案: D § 如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机 工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸 发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷 剂液化,放出热量到箱体外,下列说法正确的是(  ) § A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 § B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的 热量传到外界,是因为其消耗了电能 § C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 § D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 § 解析: 热力学第一定律是热现象中内能与其 他形式能的转化规律,是能的转化和守恒定律 的具体表现,适用于所有的热学过程,故C正 确,D错误;再根据热力学第二定律,热量不 能自发地从低温物体传到高温物体,必须借助 于其他系统做功.A错误,B正确,故选B、C. § 答案: BC § 【跟踪发散】 2-1:关于热现象和热学规律, 下列说法中正确的是(  ) § A.随着低温技术的发展,我们可以使温度逐 渐降低,并达到绝对零度,最终实现热机效率 100% § B.热量是不可能从低温物体传递给高温物体 的 § C.第二类永动机遵守能量守恒定律故能制成 § D.用活塞压缩汽缸里的空气,对空气做功 2.0×105 J,同时空气向外界放出热量1.5×105 J,则空气的内能增加了0.5×105 J § 解析: 绝对零度不可能达到,A错误;由 热力学第二定律知,B、C错误;由热力学 第一定律知,D正确. § 答案: D § 1.下列哪些物理过程具有方向性(  ) § A.热传导过程       § B.机械能和内能的转化过程 § C.气体的扩散过程 § D.气体向真空中膨胀的过程 § 解析: 一切与热现象有关的自然现象都具有 方向性,应选ABCD. § 答案: ABCD § 2.关于热传导的方向性,下列说法正确的是(   ) § A.热量只能由高温物体传给低温物体 § B.热量能自发地由低温物体传给高温物体 § C.在一定条件下,热量也可以从低温物体传 给高温物体 § D.热量一定不可能从低温物体传给高温物体 § 解析: 在有外力做功情况下,热量可以从低 温物体传递给高温物体,而热量只能自发地从 高温物体传给低温物体,故C选项正确. § 答案: C § 3.关于热力学定律,下列说法正确的是(  ) § A.在一定条件下物体的温度可以降到0 K § B.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做 功 § C.吸收了热量的物体,其内能一定增加 § D.压缩气体总能使气体的温度升高 § 解析: 热力学零度,即我们所说的-273.15 ℃,这个温度只能无限接近而不能达到,A错; 由热力学第二定律知,物体不可能从单一热源 吸收热量全部用来做功而不引起其他变化,换 句话说,在引起其他变化的情况下,物体可以 从单一热源吸收热量全部用来做功,所以B正 确;根据热力学第一定律,ΔU=W+Q知,改 变物体内能的方式是做功和热传递,所以物体 吸收了热量或对物体做功其内能都不一定增加, 故C、D错. § 答案: B § 4.下列宏观过程能用热力学第二定律解释的 是(  ) § A.大米和小米混合后小米能自发地填充到大 米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动 分开 § B.将一滴红墨水滴入一杯清水中,会均匀扩 散到整杯水中,经过一段时间,墨水和清水不 会自动分开 § C.冬季的夜晚,放在室外的物体随气温的降 低,不会由内能自发地转化为机械能而动起来 § D.随着节能减排措施的不断完善,最终也不 会使汽车热机的效率达到100% § 解析: 热力学第二定律反映的是与热现 象有关的宏观过程的方向性的规律,A不属 于热现象,A错;由热力学第二定律可知B、 C、D正确. § 答案: BCD § 5.关于热力学第一定律和热力学第二定律, 下列论述正确的是(  ) § 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 § 答案: BCD § 6.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错 误的是(  ) § 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的 进行 § D.外界对物体做功,物体的内能必然增加 § 解析: 由热力学第二定律的开尔文表述可知 A对.热机效率总低于100%,B错.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错.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错. § 答案: BCD § 7.(2011·大纲全国卷·14)关于一定量的气体, 下列叙述正确的是(  ) § A.气体吸收的热量可以完全转化为功 § B.气体体积增大时,其内能一定减少 § C.气体从外界吸收热量,其内能一定增加 § D.外界对气体做功,气体内能可能减少 § 解析: 由热力学第二定律知,热量可以完全 转化为功,但要引起其他变化,A选项对.由 热力学第一定律ΔU=W+Q知,改变物体内能 的两种方式是做功和热传递,B项只说明气体 对外做功,没有考虑热传递;C项只说明气体 从外界吸收热量,没有考虑做功情况,故B、 C选项均错,D选项对. § 答案: AD § 8.如图所示是制冷机的工作原理图,试分 析每个过程中工作物质的内能改变情况和 引起改变的物理过程: § (1)工作物质的内能________,是________的过程; § (2)工作物质的内能________,是________的过程; § (3)工作物质的内能________,是________的过程. § 解析: 在(1)中电动机推动活塞,压缩气体,对气体做功, 内能增加,在(2)中,气体液化要放出热量,内能减小;在(3) 中,是工作物质的汽化过程,要吸收热量,内能增加. § 答案: (1)增加 做功 (2)减小 放热 (3)增加 吸热