物理选修3-3课堂探究第十章第四节热力学第二定律含解析

学必求其心得，业必贵于专精课堂研究研究一热力学第二定律问题导引1．温度不同样的两个物体相互接触时，热量会自觉地从高温物体传达给低温物体

.此处“自觉地

"的含义是什么？提示：“自觉地"是指没有任何外界影响也许其他帮助。2．空调停电冰箱工作时，热量都是从低温物体传达给高温物体的，它们违反热力学第二定律吗？提示：不违反；由于这不是自觉的过程，这个过程必定有第三者的介入，即必定开动空调、电冰箱的压缩机消耗电能才能进行.3．设想在一间与外界绝热的房间里，有一台正在工作的冰箱，若是冰箱门是开着的，那么室内的温度将如何变化？为什么？提示：高升,这是由于冰箱内的热量传到房间内,对于房间而言，总内能不变，但是由于热量由低温物体（冰箱）传到高温物体（房间）时不能够自觉进行,需要借助外界的帮助，即耗资电能,而耗资的电能最后转变成内能，因此房间内的温度会高升。名师精讲1．对热力学第二定律的理解在热力学第二定律的表述中,正确地理解“自觉地”“不产生其他影响"的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。(1）“自觉地”过程就是不受外来搅乱进行的自然过程，如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它不受外界搅乱。在热传达过程中，热量能够自觉地从高温物体传向低温物体,却不能够自觉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,必定有“对外界的影响或有外界的帮助”,就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例,它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”到高温处的.“不产生其他影响"的含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,都揭穿了大量分子参加宏观过程的方向性，进而令人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都拥有方向性。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

,以下列图，低温热源

T2能够自觉地向高温热源

T1传达热量

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，使它从高温热源吸取热量

Q1，对外做功

W，并把热量

Q2传达给低温热源。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大于吸取热量

Q2,热机对学必求其心得，业必贵于专精外做功W＝Q1－Q2，相当于高温热源放出的热量所实用来对外做功,且没有引起其他变化，也就是说单一热源所放出的热量所实用来做功。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，也能够证明，凡违反表述(2)的，也必然违反表述（1)。【例题1】以下列图，汽缸内盛有必然质量的理想气体，汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁接触圆滑，但不漏气，现将活塞杆缓慢地向右搬动，气体膨胀对外做功.已知理想气体的内能只与温度有关，则以下说法中正确的选项是（)．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，所实用来对外做功，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解析:由于气体向来经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搬动过程中，有足够时间进行热交换，因此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面环境吸取热量，即所实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，若是没有外力F对活塞做功,此过程不能能发生。答案：C题后反思依照热力学第二定律的两种表述可知，热量能够从低温物体传向高温物体，内能也能够全部转变成机械能，只但是要引起其他变化或需要借助外界帮助。触类旁通本题中“活塞杆缓慢地向右搬动，气体膨胀对外做功"能自觉进行吗?答案：不能够。研究二第二类永动机问题导引1．汽车发动机工作时,汽缸（燃烧室）是它的高温热库，低温热库在哪里?提示：汽车发动机工作时低温热库就是汽缸外界的大气。2．我们把“从单一热库吸取热量，使之完好变成功,而不产生其他影响的热机称为第二类永动机",若是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，是不是就能制成第二类永动机？提示：不能够。这是由于热机必定有热源和冷凝器,热机工作时，总要向冷凝器放热，不能防备地要由工作物质带学必求其心得，业必贵于专精走一部分热量，即即是理想热机，没有摩擦、没有漏气等能量损失，它也不能能把吸取的热量百分之百地转变成机械能,总要有一部分热量发散到冷凝器中。因此说第二类永动机是不能能制成的。名师精讲1．热机(1）热机：热机是把内能转变成机械能的一种装置.如蒸汽机把水蒸气的内能转变成机械能；内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转变成机械能。热机的工作原理。工作物质从热源吸取热量Q1，推动活塞做功W，尔后排出废气，同时把热量Q2发散到冷凝器中。依照能量守恒有Q1＝W＋Q2。(3）热机的效率。把热机做的功W与它从热源中吸取的热量Q1的比值叫作热机的效率,用η表示，有η＝W。Q1由于Q1＝W＋Q2，因此Q1＞W,η＜1。这说明热机不能能把吸取的热能全部转变成机械能，总有一部分要消失到冷凝器中.4)特别提示：①热机必定有热源和冷凝器。②热机不能够把它获取的全部内能转变成机械能。③因热机工作时，总要向冷凝器散热,不能防备地要释放一部分热量Q2,因此总有Q1＞W。④热机的效率不能能达到100％，即即是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不能能把吸取的热量百分之百地转变成机械能，总要有一部分热量发散到冷凝器中。2．第二类永动机第二类永动机。只从单一热源吸取热量,使之完好变成适用的功而不引起其他变化的热机。2)第二类永动机不能能制成。这类机器诚然不违反能量守恒定律，但由于机械能和内能的转变过程是有方向性的，热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变成机械能，另一部分热量要排放给低温热库。也就是说,热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做机械功的热量仅是它从高温热库吸取热量的一部分，绝不会是全部。因此第二类永动机是不能能制成的。从上面的解析可知，即使没有任何漏气、摩擦、不用要的散热等损失，也总有W<Q，因此热机的效率总达不到100%,汽车发动机的效率一般在20％～30％，蒸汽机的效率较高，可达60%左右。（3)热力学第二定律还可表述为：第二类永动机不能能制成.3．两类永动机的比较分类第一类永动机第二类永动机不用耗任何能量，能够不断做功(或将内能全部转变成机械能，而不引设计要求只恩赐很小的能量启动后，能够永起其他变化(或只有一个热源，实现远运动下去）内能与机械能的转变)不能能的原因违反了能量守恒定律违反了热力学第二定律【例题2】第二类永动机不能能制成的原因是（)学必求其心得，业必贵于专精．违反了能量守恒定律．热量总是从高温物体传达到低温物体C．机械能不能够全部转变成内能D．内能不能够全部转变成机械能而不引起其他变化解析：本题观察第二类永动机。第二类永动机的设想其实不违反能量守恒定律，但是却违反了涉及热现象的能量转变过程是有方向性的规律，应选项A错；在引起其他变化的情况下，热量也可由低温物体非自觉地传达到高温物体，选项B错；机械能能够