高考物理 10.4 熱力學(xué)第二定律課件 新人教版選修33.ppt

4熱力學(xué)第二定律 1 通過自然界中熱傳導(dǎo)方向性的實例 了解熱力學(xué)第二定律 并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動機(jī)不能制造成功的原因 2 能用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)移及方向性問題 3 嘗試運(yùn)用熱力學(xué)第二定律解決一些實際問題 重點 1 熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述 以及兩種表述的物理實質(zhì) 2 第二類永動機(jī)及其不能制成的原因 難點 熱機(jī)的效率 一 熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述1 熱傳導(dǎo)的方向性 凡是實際的過程 只要涉及熱現(xiàn)象 如熱傳遞 氣體的膨脹 擴(kuò)散 有摩擦的機(jī)械運(yùn)動 都具有特定的 性 這些過程可以 地朝某個方向進(jìn)行 例如熱量由 物體傳向 物體 而相反的過程 即使不違背能量守恒定律 也不能 地進(jìn)行 這就是說 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是 方向 自發(fā) 高溫 低溫 自發(fā) 不可逆的 2 熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述德國物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出 熱量不能自發(fā)地從 物體傳到 物體 熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述 闡述的是傳熱的 低溫 高溫 方向性 想一想 熱傳遞的方向性能否簡單理解為 熱量不會從低溫物體傳給高溫物體 提示 不能 自發(fā)地 是指沒有第三者影響 例如空調(diào) 冰箱等制冷機(jī)就是把熱量從低溫物體傳到了高溫物體 但是也產(chǎn)生了影響 即外界做了功 二 熱力學(xué)第二定律的開爾文表述1 熱機(jī) 1 熱機(jī)工作的兩個階段第一個階段是 燃料 把燃料中的 變成工作物質(zhì)的內(nèi)能 第二個階段是工作物質(zhì)對外 把自己的內(nèi)能變成 2 熱機(jī)的效率 熱機(jī)輸出的 與燃料產(chǎn)生的 的比值 用公式表示為 燃燒 化學(xué)能 做功 機(jī)械能 機(jī)械功w 熱量q 2 開爾文表述 不可能從單一熱庫吸收熱量 使之 而不產(chǎn)生其他影響 該表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性 3 熱力學(xué)第二定律的其他描述 1 一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有 2 氣體向真空的自由膨脹是 的 完全變成 功 方向性 不可逆 4 第二類永動機(jī) 1 定義 只從單一熱庫吸收熱量 使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī) 2 第二類永動機(jī)不可能制成雖然第二類永動機(jī)不違反 但大量的事實證明 在任何情況下 熱機(jī)都不可能只有一個熱庫 熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)釒?能量守恒定律 判一判 1 第二類永動機(jī)違反了能量守恒定律 2 只要對內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn) 就可以把內(nèi)燃機(jī)得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 3 熱力學(xué)第二定律表明 所有的物理過程都具有方向性 提示 1 第二類永動機(jī)違反熱力學(xué)第二定律 并不是違反能量守恒定律 1 錯 2 任何熱機(jī)都不可能使燃料釋放的熱量完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 即熱機(jī)效率總低于100 2 錯 3 熱力學(xué)第二定律指出了所有與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過程都具有方向性 并不是所有的物理過程都具有方向性 3 錯 熱力學(xué)第二定律理解中的幾個問題 探究導(dǎo)引 電冰箱在工作時 是從冰箱內(nèi)低溫物體吸熱 然后釋放到冰箱外部高溫空間 思考以下問題 1 這一過程是自發(fā)進(jìn)行的嗎 2 熱力學(xué)第二定律反映了什么樣的規(guī)律 3 克勞修斯是如何表述熱力學(xué)第二定律的 要點整合 1 單一熱庫指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng) 若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定 則構(gòu)成機(jī)器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作 從而可以對外做功 據(jù)報道 有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電 2 其他影響指除了從單一熱庫吸收的熱量 以及所做的功以外的其他一切影響 或者除了從低溫物體吸收熱量 高溫物體得到熱量外 其他一切影響和變化 不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功 而是這樣做功的過程中 一定伴隨著其他變化或影響 同樣 也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 而是指不產(chǎn)生其他影響的自發(fā)熱傳遞是不可能的 3 關(guān)于 不可能 實際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時 除了從單一熱庫吸收熱量對外做功 以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝?過程所產(chǎn)生的其他一切影響 不論用任何曲折復(fù)雜的辦法都不可能加以消除 4 適用條件 只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程 而不適用于少量的微觀體系 也不能把它擴(kuò)展到無限的宇宙 5 兩種表述是等價的 兩種表述都揭示了熱現(xiàn)象宏觀過程的方向性 兩種表述可以相互推導(dǎo) 如果克勞修斯表述不成立 則開爾文表述也不成立 特別提醒 1 自發(fā)地 是指熱量從高溫?zé)釒熳园l(fā)地傳給低溫?zé)釒斓姆较蛐?在傳遞過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體提供能量等 2 不引起其他變化 的含義是指不需通過第三方的幫助 這里的幫助就是第三方給提供能量等方式 典例1 隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 能源短缺問題日顯突出 近期油價不斷攀升 已對各國人民的日常生活造成了各種影響 如排長隊等待加油的情景已經(jīng)多次在世界各地發(fā)生 能源成為困擾世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大難題之一 下列有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的說法中正確的是 a 不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功 而不引起其他的變化b 只要對內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn) 就可以把內(nèi)燃機(jī)得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能c 滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)地進(jìn)行d 外界對物體做功 物體的內(nèi)能必然增加 思路點撥 解答此題時應(yīng)注意以下三點 關(guān)鍵點 1 注意熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述及開爾文表述的完整性 不能斷章取義 2 熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的區(qū)別與聯(lián)系 3 內(nèi)能改變的兩種方式 規(guī)范解答 選a 由熱力學(xué)第二定律的開爾文表述可知a對 熱機(jī)效率總低于100 b錯 滿足能量守恒的物理過程未必能自發(fā)進(jìn)行 任何過程一定滿足熱力學(xué)第二定律 c錯 由熱力學(xué)第一定律 u w q可知 w 0 u不一定大于0 即內(nèi)能不一定增加 d錯 總結(jié)提升 理解熱力學(xué)第二定律的方法 1 理解熱力學(xué)第二定律的實質(zhì) 即自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 理解的關(guān)鍵在于 自發(fā) 和 不引起其他變化 2 還要正確理解哪些過程不會達(dá)到100 的轉(zhuǎn)化而不產(chǎn)生其他影響 變式訓(xùn)練 2012 新課標(biāo)全國卷 關(guān)于熱力學(xué)定律 下列說法正確的是 填入正確選項前面的字母 a 為了增加物體的內(nèi)能 必須對物體做功或向它傳遞熱量b 對某物體做功 必定會使該物體的內(nèi)能增加c 可以從單一熱源吸收熱量 使之完全變?yōu)楣 不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體e 功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程 解析 選a c e 做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能 選項a正確 由熱力學(xué)第一定律可知 對某物體做功 物體的內(nèi)能可能增加 不變或減小 故b錯 由熱力學(xué)第二定律可知 通過外界作用可以從單一熱源吸收熱量 使之完全變?yōu)楣?可以使熱量從低溫物體傳向高溫物體 所有的實際宏觀熱過程都是不可逆的 所以c e對 d錯 變式備選 根據(jù)熱力學(xué)第二定律 下列判斷正確的是 a 熱機(jī)中燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成機(jī)械能b 電流的能不可能全部變成內(nèi)能c 在火力發(fā)電過程中 燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成電能d 在熱傳導(dǎo)中 熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體 解析 選a c d 凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都具有方向性 無論采用任何設(shè)備和手段進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化 總是遵循 機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 故a正確 火力發(fā)電過程中 能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能 機(jī)械能 電能 因為內(nèi)能 機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量 故燃?xì)獾膬?nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?c正確 熱量從低溫物體傳遞給高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行 必須借助外界的幫助 結(jié)果會帶來其他影響 這正是熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述的主要思想 故d正確 由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知 電流的能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 故b錯誤 熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律的比較 探究導(dǎo)引 由學(xué)過的物理知識可知 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 而將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置 熱機(jī) 它的效率卻不能達(dá)到100 請思考以下問題 1 熱機(jī)的效率達(dá)不到100 是因為摩擦和汽缸漏氣嗎 2 開爾文是如何表述熱力學(xué)第二定律的 3 第二類永動機(jī)為什么不能制成 要點整合 1 熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律的比較 規(guī)律 熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn) 否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性 從而否定了第一類永動機(jī) 熱力學(xué)第二定律是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi) 一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程 化學(xué)過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié) 從而否定了第二類永動機(jī) 區(qū)別與聯(lián)系 兩定律都是熱力學(xué)基本定律 分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律 二者既相互獨立 又相互補(bǔ)充 都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ) 規(guī)律 區(qū)別與聯(lián)系 2 兩類永動機(jī)的比較 不消耗任何能量 可以不斷做功 或只給予很少的能量啟動后 可以永遠(yuǎn)運(yùn)動下去 將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 而不引起其他變化 或只有一個熱庫 實現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化 違背了能的轉(zhuǎn)化與守恒定律 違背了熱力學(xué)第二定律 特別提醒 1 熱力學(xué)第二定律是在提高熱機(jī)效率的生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)的 但它對實踐的指導(dǎo)意義卻不局限于熱機(jī) 2 熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律一起構(gòu)成了熱力學(xué)的主要理論基礎(chǔ) 3 除對熱力學(xué)研究外 其他如在化學(xué)反應(yīng)中 研究化學(xué)能與其他形式能量的轉(zhuǎn)化及各種化學(xué)過程進(jìn)行的條件和方向等都有著重要的指導(dǎo)意義 典例2 關(guān)于兩類永動機(jī)和熱力學(xué)兩大定律 下列說法正確的是 a 第二類永動機(jī)不可能制成是因為違反了熱力學(xué)第一定律b 第一類永動機(jī)不可能制成是因為違反了熱力學(xué)第二定律c 由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能 熱傳遞也不一定改變內(nèi)能 但同時做功和熱傳遞一定會改變內(nèi)能d 由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的 從單一熱庫吸收熱量 完全變成功也是可能的 思路點撥 掌握兩類永動機(jī)的概念以及深刻理解熱力學(xué)兩大定律是解答本題的關(guān)鍵 規(guī)范解答 選d 第一類永動機(jī)違反熱力學(xué)第一定律 第二類永動機(jī)違反熱力學(xué)第二定律 a b錯 由熱力學(xué)第一定律可知w 0 q 0 但 u w q可以等于0 c錯 由熱力學(xué)第二定律可知d中現(xiàn)象是可能的 但不引起其他變化是不可能的 d對 總結(jié)提升 解決此類問題要深入理解好熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 1 熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的一種表述形式 是從能的角度揭示不同物質(zhì)運(yùn)動形式相互轉(zhuǎn)化的可能性 告誡人們 第一類永動機(jī)不可能制成 2 熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性 如機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化 進(jìn)一步揭示了各種有關(guān)熱的物理過程都具有方向性 告誡人們 第二類永動機(jī)不可能制成 變式訓(xùn)練 關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 下列論述正確的是 a 熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化 而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能 故這兩條定律是相互矛盾的b 內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能 只是會產(chǎn)生其他影響 故兩條定律并不矛盾c 兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律 它們不但不矛盾 而且沒有本質(zhì)區(qū)別d 能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 解析 選b 熱力學(xué)第一定律是能量守恒在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn) 而熱力學(xué)第二定律則指出所有與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過程都具有方向性 二者并不矛盾 故a c d錯誤 b正確 溫馨提示 關(guān)于熱力學(xué)第二定律的考查 在近幾年的高考選做題中很少涉及 考查形式以選擇題為主 題目難度適中 典例 一種冷暖兩用型空調(diào) 銘牌標(biāo)注 輸入功率1kw 制冷能力1 2 104kj h 制熱能力1 3 104kj h 這樣 該空調(diào)在制熱時 每消耗1j電能 將放出3j的熱量 標(biāo)注是否錯誤 思路點撥 空調(diào)機(jī)不論制冷還是制熱都是將內(nèi)能從溫度低的地方向溫度高的地方傳遞 即熱量從低溫物體向高溫物體傳遞 規(guī)范解答 空調(diào)制冷 制熱是靠壓縮機(jī)做功 通過內(nèi)部的制冷劑將熱量從溫度低的地方向溫度高的地方傳遞 在制熱時 室內(nèi)溫度高 室外溫度低 熱量不會自發(fā)地從室外向室內(nèi)傳遞 要實現(xiàn)這一過程就會引起其他的變化 這里的其他變化正是通過壓縮機(jī)做功消耗電能的過程 題中放出了3j的熱量是指將 3j的內(nèi)能從室外傳遞到室內(nèi) 需消耗1j的電能 整個過程既不違背熱力學(xué)第一定律的能量守恒 又符合熱力學(xué)第二定律的方向性 因此題中標(biāo)注沒有錯誤 答案 見規(guī)范解答 對熱力學(xué)第二定律的理解熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過程的方向性 第二類永動機(jī)雖然不違背能量守恒定律 但與熱力學(xué)第二定律不符 1 當(dāng)涉及熱傳遞時 熱量可以自發(fā)地由高溫物體向低溫物體傳遞 當(dāng)熱量由低溫物體向高溫物體傳遞時 要引起其他變化 2 當(dāng)涉及能量轉(zhuǎn)化時 機(jī)械能可以自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但要使內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時 要引起其他變化 案例展示 在研究性學(xué)習(xí)的過程中 同學(xué)們提出了以下四個活動方案 哪些從理論上講是可行的 a 改進(jìn)熱機(jī)的生產(chǎn)工藝 總有一天熱機(jī)的效率可以達(dá)到100 b 發(fā)明一種制冷設(shè)備 使溫度降至絕對零度c 汽車尾氣中各類有害氣體排入大氣后嚴(yán)重污染了空氣 想辦法使它們自發(fā)