《热力学第二定律》素养课件

4热力学第二定律

【思考】问题1:墨水在水中的扩散最终均匀吗?问题2:变的均匀的淡蓝色的水,能自动地把滴入水中的墨点聚合到一块变为墨滴吗?一、热力学第二定律的克劳修斯表述提示:1.均匀2.不能1.热传导的方向性:一切与热现象有关的宏观自然过程都是_________。2.热力学第二定律的克劳修斯表述:德国物理学家克劳修斯在1850年提出:热量不能自发地从_____物体传到_____物体。热力学第二定律的克劳修斯表述,阐述的是传热的_______。不可逆的低温高温方向性二、热力学第二定律的开尔文表述1.热机:(1)热机工作的两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的_______变成工作物质的_____。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=______。2.开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量,使之___________,而不产生其他影响。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)化学能内能做功机械能机械功W热量Q完全变成功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_______。(2)气体向真空的自由膨胀是_______的。(3)第二类永动机是不可能制成的。方向性不可逆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_____________,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。能量守恒定律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。知识点一热力学第二定律的应用2.其他影响:(1)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。(2)除了从低温物体吸收热量、高温物体得到热量外,其他一切影响和变化。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.适用条件:只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程,而不适用于少量的微观体系,也不能把它扩展到无限的宇宙。【思考·讨论】情境:如图是热量在传递过程中的情景。讨论:(1)在自然过程中热量是如何传递的? (科学思维)提示:热量由温度高的物体传递给温度低的物体,或由温度高的地方传递到温度低的地方。(2)空调和冰箱是如何传递热量的? (科学思维)提示:空调和冰箱可以通过电机做功,把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。【典例示范】(多选)下列现象不可能发生的是(

)A.在一与外界绝热的房间内,将一台正在工作的电冰箱的门打开,能使该房间降温B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能C.一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来,物体的动能全部转化为内能D.在热传导中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体考查角度1热传递方向性的应用【解析】选A、B。在一与外界绝热的房间内,将一台正在工作的电冰箱的门打开,消耗了电能,产生了焦耳热,所以房间温度不仅不能降低还会升高,故A不可能发生;蒸汽机把蒸汽的内能不可能全部转化为机械能,转化过程中必然存在能量耗散,故B不可能发生;一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来,物体的动能全部转化为内能,C可能发生;在热传导中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体,D可能发生。【典例示范】(多选)下列关于宏观物体的热现象的说法中正确的是(

)A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行D.一切物理过程都不可能自发地进行E.功转变为热的实际宏观过程是不可逆的考查角度2热力学第二定律的应用【解析】选A、C、E。热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但可以自发地从高温物体传到低温物体;并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现,故A、C正确,B、D错误;一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,故E正确。【误区警示】对热力学第二定律理解的两个误区(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体,不能由低温物体传到高温物体。热量可以由高温物体传到低温物体,也可以由低温物体传到高温物体;但是,前者可以自发完成,而后者则必须有外界参与。(2)误认为机械能可以完全转化为内能,而内能不能完全转化为机械能。机械能可以完全转化为内能,内能也可以完全转化为机械能;但是,前者可以不产生其他影响,而后者一定会产生其他影响。【定向训练】1.热现象的描述正确的是 (

)A.满足能量守恒定律的宏观过程都可以自发进行B.做功和热传递都通过能量转化的方式改变系统内能C.电冰箱的工作过程表明,热量可以从低温物体向高温物体传递D.温度不同的两块金属接触,达到热平衡后,它们具有的相同的物理量是热量【解析】选C。满足能量守恒定律的宏观过程不一定都可以自发进行,例如热量由低温物体向高温物体的传递,选项A错误;做功是通过能量转化的方式改变系统内能,而热传递是通过能量的转移来改变物体的内能的,选项B错误;电冰箱的工作过程表明,热量可以从低温物体向高温物体传递,选项C正确;温度不同的两块金属接触,达到热平衡后,它们具有的相同的物理量是温度,选项D错误。2.(多选)下列说法正确的是 (

)A.自然界发生的宏观热现象的过程一定是不可逆过程B.第二类永动机不能成功是因为其违反了热力学第一定律和热力学第二定律C.目前实验室已获得的最低温度为2.4×10-11K,将来完全有可能获得绝对零度D.对任何一类宏观自然过程进行方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述,例如:气体向真空的自由膨胀是不可逆的【解析】选A、D。热力学第二定律表明:自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性,是不可逆的。第二类永动机不能成功是因为其违反了热力学第二定律;绝对零度只能接近不可达到,故选项A、D正确,B、C错误。【补偿训练】(多选)用两种不同材料的金属丝组成一个回路,接触点1插在热水中,接触点2插在冷水中,如图所示,电流计指针会发生偏转,这就是温差发电现象。关于这一现象的正确说法是 (

)A.这一实验不违背热力学第二定律B.在实验过程中,热水温度降低,冷水温度升高C.在实验过程中,热水的内能全部转化成电能,电能则部分转化成冷水的内能D.在实验过程中,热水的内能只有部分转化成电能,电能则全部转化成冷水的内能【解析】选A、B。自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律,本实验现象也不违反热力学第二定律,A正确;整个过程中能量守恒且热传递有方向性,B正确;在实验过程中,热水中的内能除转化为电能外,还升高了金属丝的温度,内能不能全部转化为电能;电能除转化为冷水的内能外,还升高了金属丝的温度,电能不能全部转化为冷水的内能,C、D错误。1.热机的特点:(1)热机不仅仅只有一个热库。(2)热机的效率不可能达到100%。2.第二类永动机不能制成的原因:违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。知识点二热机和第二类永动机3.第二类永动机不能制成的意义:(1)机械能可全部转化成内能,但内能不能全部转化成机械能。(2)机械能和内能的转化过程具有方向性。(3)两类永动机的比较。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)。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)。【思考·讨论】情境:如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,请在图片基础上思考以下问题:讨论:(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗?(物理观念)(2)热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功?(物理观念)提示:(1)不是。热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。(2)否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功,剩余的释放到低温热库。【典例示范】(多选)根据热力学第二定律,下列说法正确的是(

)A.热机中燃气的内能不可能全部变成机械能B.电能不可能全部转变成内能C.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部转变成电能D.在热传导中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体【解析】选A、C、D。热力学第二定律指明了宏观热现象具有方向性,利用这一方向性特点进行分析。凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化,总是遵循“机械能可全部转化为内能,而内能不能全部转化为机械能”,故A正确;由电流热效应中的焦耳定律可知,电能可以全部转化为内能,故B错误;火力发电机发电时,能量转化的过程为内能→机械能→电能,因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量,故燃气的内能必然不能全部变为电能,C正确;热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行,必须借助外界的帮助,结果会带来其他影响,这正是热力学第二定律第一种(克氏)表述的主要思想,故D正确。【规律方法】永动机问题的分析思路(1)热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式,是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性。告诫人们:第一类永动机不可能制成。(2)热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化,进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。告诫人们:第二类永动机不可能制成。【定向训练】1.(多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是(

)A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化【解析】选A、D。根据第二类永动机的定义可知A正确,第二类永动机不违反能量守恒定律,而是违反热力学第二定律,所以B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能,C错误,D正确。2.(多选)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】选B、C。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;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,是能量守恒定律的具体表现,