人教版道德與法治七年級下冊成長的不僅僅是身體課件7

第八章熱力學基礎(chǔ)第八章熱力學基礎(chǔ)1本章內(nèi)容的重點和難點：1、研究對象：處于變化過程中的熱力學系統(tǒng)（從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)）功、內(nèi)能、熱量相互轉(zhuǎn)換的量的關(guān)系與進行的方向。2、研究方法：采用理想氣體構(gòu)成的熱力學系統(tǒng)3、研究結(jié)果：獲得熱力學第一定律，獲得等溫、等壓、等容等準靜態(tài)過程熱力學系統(tǒng)功、內(nèi)能、熱量的計算；本章內(nèi)容的重點和難點：25、建立理想循環(huán)模型——卡諾循環(huán)；獲得卡諾循環(huán)（熱機和致冷機）功、熱量和效率的計算；在分析熱機（循環(huán)）和致冷機（循環(huán)）效率上，獲得熱力學第二定律：6、熱力學第二定律兩種表述方式：開爾文表述與克勞修斯表述的區(qū)別與聯(lián)系8、對熱力學第二定律的進一步認識：熱力學第二定律與可逆過程與不可逆過程；熱力學第二定律的微觀統(tǒng)計意義；熱力學第二定律與熵的概念與熵增原理5、建立理想循環(huán)模型——卡諾循環(huán)；獲得卡諾循環(huán)（熱機和致冷機3問題：下面物體的一生有什么特點？1、一雙鞋子、一件衣服。2、一朵鮮花。3、一個人。問題：下面物體的一生有什么特點？4問題：下面這些過程有什么特點？1、物質(zhì)擴散。2、熱傳導。問題：下面這些過程有什么特點？5問題：下面這些過程有什么特點？1、生物進化問題：下面這些過程有什么特點？6結(jié)論：這些例子表明，由大量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)總是自發(fā)地從新走向舊，從生命力強走向衰敗，從高濃度向低濃度擴散，從高溫向低溫傳熱。當然，自然界也存在大量又低級向高級發(fā)展的過程；熱力學的任務(wù)就是從物理運動角度解釋這些過程的規(guī)律。結(jié)論：這些例子表明，由大量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)總是自發(fā)地從新走向舊7一、幾個概念：1、熱力學系統(tǒng)：由大量分子/原子所構(gòu)成的對象?？梢允菤怏w、液體、固體或混合體。2、外界：熱力學系統(tǒng)之外的環(huán)境3、熱力學過程：系統(tǒng)從某狀態(tài)開始經(jīng)歷一系列中間狀態(tài)到達另一狀態(tài)的過程。4、準靜態(tài)過程：在熱力學系統(tǒng)的變化過程中，如果每個中間狀態(tài)都是平衡態(tài)，則該過程為準靜態(tài)過程。一、幾個概念：8討論：1）準靜態(tài)過程是個理想的過程，實際是不可能發(fā)生的。過程與平衡是一對矛盾。系統(tǒng)一發(fā)生變化，原來的平衡態(tài)就被破壞，系統(tǒng)將處于非平衡態(tài)（各處溫度、密度不均勻）,這時系統(tǒng)不能用平衡態(tài)時的狀態(tài)參量描述。氣體活塞砂子討論：氣體活塞砂子92）準靜態(tài)過程的P-V圖表示3)只要實際過程進行非常緩慢，因此每個中間態(tài)近似處理成平衡態(tài)。12氣體活塞砂子問題：為什么要提出準靜態(tài)過程？2）準靜態(tài)過程的P-V圖表示3)只要實際過程進行非常緩慢，10二、熱力學第一定律從能量變化的角度，揭示熱力學系統(tǒng)在熱力學過程中應(yīng)該滿足的規(guī)律。一個熱力學系統(tǒng)在準靜態(tài)過程一定要發(fā)生變化，從能量變化的角度，一定與外界發(fā)生能量交換。以一定體積的氣體升高溫度為例子，這個熱力學過程存在那些能量形式變化和數(shù)量關(guān)系?未升溫的氣體具有一定的溫度，具有一定的內(nèi)能E。內(nèi)能的特點如下:二、熱力學第一定律11因此系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關(guān).

理想氣體內(nèi)能

:表征系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù),理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù).1、系統(tǒng)內(nèi)能的特點因此系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的12問題：氣體升溫的過程就是一個改變其內(nèi)能的熱力學過程，改變氣體系統(tǒng)內(nèi)能有什么途徑？問題：氣體升溫的過程就是一個改變其內(nèi)能的熱力學過程，改變氣體13實驗證明：氣體系統(tǒng)從一定溫度的A狀態(tài)變化到另一個溫度的B

狀態(tài)，可以采用做功和傳熱的方法。不管經(jīng)過什么過程，只要始末狀態(tài)確定，氣體系統(tǒng)內(nèi)能變化保持一定，做功和傳熱之和保持不變.由于作功與熱傳遞的等效性：從改變系統(tǒng)內(nèi)能的角度，傳熱與作功是等效的。歷史上有許多熱功當量實驗證實這種等效性。實驗證明：氣體系統(tǒng)從一定溫度的A狀態(tài)變化到另一個溫度的B14

熱功當量實驗：作機械功改變系統(tǒng)狀態(tài)的焦耳實驗AV作電功改變系統(tǒng)狀態(tài)的實驗熱功當量實驗：作機械功改變系統(tǒng)狀態(tài)的焦耳實驗AV作電功改變15問題：如何計算外界對系統(tǒng)作功的數(shù)量？問題：如何計算外界對系統(tǒng)作功的數(shù)量？162、作功1）對于準靜態(tài)過程，外界與系統(tǒng)的功的交換表示為SV1V22、作功SV1V217注意：作功與過程有關(guān).2）作功與過程有關(guān)功是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的量度，它引起系統(tǒng)熱運動狀態(tài)的變化.注意：作功與過程有關(guān).2）作功與過程有關(guān)功是能量傳遞和轉(zhuǎn)183、熱傳遞——熱量（過程量）由于系統(tǒng)和外界之間存在溫差而發(fā)生的能量傳遞.熱量是系統(tǒng)與外界之間通過傳熱方式傳遞能量的量度，1）過程量：與過程有關(guān)；2）等效性：改變系統(tǒng)熱運動狀態(tài)作用相同；

宏觀運動能量分子熱運動能量功分子熱運動能量分子熱運動能量熱量3）功與熱量的物理本質(zhì)（能量轉(zhuǎn)換）不同.1卡=4.18J，1J=0.24卡功與熱量的異同：3、熱傳遞——熱量（過程量）由于系統(tǒng)和外界之間存在溫差而發(fā)19三、熱力學第一定律數(shù)學表示

熱力學第一定律：在一個系統(tǒng)的熱力學過程中，一般地說，系統(tǒng)內(nèi)能改變是系統(tǒng)作功和傳熱的共同結(jié)果。內(nèi)能、作功、熱量的關(guān)系為微小變化過程：有限變化過程：符號規(guī)定：Q>0表示系統(tǒng)從外界吸熱，Q<0表示系統(tǒng)向外界放熱。W>0系統(tǒng)（膨脹）對外界作功，W<0外界對系統(tǒng)（壓縮）作功;E2>E1內(nèi)能增大,E2<E1內(nèi)能減少。三、熱力學第一定律數(shù)學表示符號規(guī)定：Q>0表示系統(tǒng)從外界吸熱20討論：（1）第一定律表明：系統(tǒng)內(nèi)能的改變，一部分用來對外界作功，另一部分用來與外界進行熱傳遞；（2）第一定律本質(zhì)上是能量守恒定律在熱力學過程的體現(xiàn)（3）第一定律也可以表述成：第一類永動機是不可能制成的。討論：21

第一類永動機物理模型第一類永動機物理模型22熱力學第一定律揭示了在任意熱力學過程中內(nèi)能、功、熱量三者必須滿足的定量關(guān)系。但這三個量的大小與實際的熱力學過程有關(guān)。下面我們通過幾個具體的準靜態(tài)過程對這三個量進行計算。這些熱力學過程比較簡單，容易理解。熱力學第一定律揭示了在任意熱力學過程中內(nèi)能、功、熱量23計算各等值過程的熱量、功和內(nèi)能的理論基礎(chǔ)（1）（理想氣體的共性）（2）解決過程中能量轉(zhuǎn)換的問題（3）（理想氣體的狀態(tài)函數(shù)）

（4）各等值過程的特性.五、熱力學第一定律在幾種準靜態(tài)過程的應(yīng)用計算各等值過程的熱量、功和內(nèi)能的理論基礎(chǔ)（1）（理想氣體的24單位：1等體過程摩爾定體熱容過程方程：熱力學第一定律：特性：常量

摩爾定體熱容:

理想氣體在等體過程中吸收的熱量，使溫度升高,其摩爾定體熱容為單位：1等體過程摩爾定體熱容過程方程：熱力學第一定律25

對1mol理想氣體，內(nèi)能可得對1mol理想氣體，內(nèi)能可得26總結(jié)：在等體過程中，作功、熱量、內(nèi)能變化的計算分別為注意：以后無論什么過程，只要系統(tǒng)的溫度從T1變化T2，內(nèi)能變化的計算都能采用下面的式子計算：總結(jié)：在等體過程中，作功、熱量、內(nèi)能變化的計算分別為注意：以27

等體升壓

12

等體降壓

12等體升壓12等體降壓12282等壓過程摩爾定壓熱容過程方程：熱一律：特性：常量功：

摩爾定壓熱容:

理想氣體在等壓過程中吸收的熱量，溫度升高，其摩爾定壓熱容為12W2等壓過程摩爾定壓熱容過程方程：熱一律：特性：29

稱為Mayer公式。定義摩爾熱容比：(J.Mayer)稱為Mayer公式。定義摩爾熱容比：(J.M30總結(jié)：在等壓過程中，作功、熱量、內(nèi)能變化的計算分別為總結(jié)：在等壓過程中，作功、熱量、內(nèi)能變化的計算分別為3112W等壓膨脹12W等壓壓縮

W

W12W等壓膨脹12W等壓壓縮WW323等溫過程熱力學第一定律：恒溫熱源T12特征：常量過程方程：3等溫過程熱力學第一定律：恒溫熱源T12特征：33總結(jié)：在等溫過程中，內(nèi)能、作功、熱量分別為：總結(jié)：在等溫過程中，內(nèi)能、作功、熱量分別為：3412等溫膨脹W12W等溫壓縮

W

W12等溫膨脹W12W等溫壓縮WW354絕熱過程與外界無熱量交換的過程特征：12絕熱的汽缸壁和活塞熱一律4絕熱過程與外界無熱量交換的過程特征：12絕熱的汽缸壁和36若已知及從可得:若已知及從37人教版道德與法治七年級下冊成長的不僅僅是身體課件738總結(jié)：在絕熱過程中，作功、熱量、內(nèi)能變化的計算分別為總結(jié)：在絕熱過程中，作功、熱量、內(nèi)能變化的計算分別為39

絕熱過程方程的推導分離變量得：絕熱過程方程的推導分離變量得：40絕熱

方程常量常量常量絕熱方程常量常量常量4112W絕熱膨脹12W絕熱壓縮

W

W12W絕熱膨脹12W絕熱壓縮WW425絕熱線和等溫線的比較絕熱過程曲線的斜率：等溫過程曲線的斜率：結(jié)論：絕熱線的斜率大于等溫線的斜率.常量常量ABC常量5絕熱線和等溫線的比較絕熱過程曲線的斜率：等溫過程曲線的斜43問題：等溫變化過程和絕熱過程為什么不引入相應(yīng)的摩爾熱容？等溫變化過程的摩爾熱容是多少？絕熱過程的摩爾熱容是多少？問題：等溫變化過程和絕熱過程為什么不引入相應(yīng)的摩爾熱容？44例1設(shè)有5mol的氫氣，最初的壓強為溫度為，求在下列過程中，把氫氣壓縮為原體積的1/10需作的功:1）等溫過程，2）絕熱過程.3）經(jīng)這兩過程后，氣體的壓強各為多少？解1）等溫過程2）氫氣為雙原子氣體12常量例1設(shè)有5mol的氫氣，最初的壓強453）對等溫過程對絕熱過程,有12常量3）對等溫過程對絕熱過程,有12常量46

例2氮氣液化，把氮氣放在一個絕熱的汽缸中.開始時,氮氣的壓強為50個標準大氣壓、溫度為300K;經(jīng)急速膨脹后,其壓強降至1個標準大氣壓,從而使氮氣液化.試問此時氮的溫度為多少?

解：氮氣可視為理想氣體,其液化過程為絕熱過程.例2氮氣液化，把氮氣放在一個絕熱的汽缸中.開始47幾種準靜態(tài)過程比較幾種準靜態(tài)過程比較48小結(jié)：前面研究了幾種熱力學過程中內(nèi)能、功、熱量的定量關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)：通過熱力學系統(tǒng)的熱力學過程，可以實現(xiàn)熱量與功相互轉(zhuǎn)換。對生產(chǎn)實際而言，我們比較關(guān)心的是熱量與功的轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換效率問題，比如熱機（內(nèi)燃機、火箭）、制冷機的制冷效率問題。因此，熱量與功的轉(zhuǎn)換效率及如何提高轉(zhuǎn)換效率成為研究熱力學的重要問題。小結(jié)：49問題：根據(jù)熱力學第一定律，熱力學系統(tǒng)實現(xiàn)對外界作功有什么途徑？12W等壓膨脹12W絕熱膨脹12等溫膨脹W問題：根據(jù)熱力學第一定律，熱力學系統(tǒng)實現(xiàn)對外界作功有什么途徑50問題：熱力學過程可以實現(xiàn)熱量與功的轉(zhuǎn)換，怎樣的熱力學過程才能實現(xiàn)熱量與功的持續(xù)轉(zhuǎn)換？

問題：熱力學過程可以實現(xiàn)熱量與功的轉(zhuǎn)換，怎樣的熱力學過程才能51系統(tǒng)經(jīng)過一變化狀態(tài)過程后，又回到原來狀態(tài)的過程叫熱力學循環(huán)過程.分為正循環(huán)/順時針和逆循環(huán)/逆時針。熱力學第一定律：凈功特征：一循環(huán)過程AB總吸熱總放熱（取絕對值）系統(tǒng)經(jīng)過一變化狀態(tài)過程后，又回到原來狀態(tài)的過程叫熱力學循環(huán)過52二熱機/正循環(huán)效率熱機效率：熱機：熱機高溫熱源低溫熱源AB二熱機/正循環(huán)效率熱機效率：熱機：熱機高溫熱源低溫熱源AB53致冷機致冷系數(shù)：致冷機：AB致冷機高溫熱源低溫熱源三致冷機/逆循環(huán)的致冷系數(shù)致冷機致冷系數(shù)：致冷機：AB致冷機高溫熱源低溫熱源三致冷54熱機發(fā)展簡介1698年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機，當時蒸汽機的效率極低,1765年瓦特進行了重大改進，大大提高了效率.人們一直在為提高熱機的效率而努力，從理論上研究熱機效率問題，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推動了熱學理論的發(fā)展各種熱機的效率：液體燃料火箭：柴油機：汽油機：蒸汽機：熱機：能夠持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器.熱機發(fā)展簡介各種熱機的效率：液體燃料火箭：柴油機：汽油機：蒸55熱機：能夠持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器.工作物質(zhì)（工質(zhì)）：熱機中被利用來吸收熱量并對外做功的物質(zhì).熱機：能夠持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器.工56制冷機/冰箱：就是通過外界作功，持續(xù)不斷地從低溫物體吸取熱量向高溫物體排放的機器。制冷機/冰箱：就是通過外界作功，持續(xù)不斷地從低溫物體吸取熱量57問題：熱機循環(huán)過程的效率和制冷機循環(huán)過程致冷系數(shù)到底與哪些因素有關(guān)？問題：熱機循環(huán)過程的效率和制冷機循環(huán)過程致冷系數(shù)到底與哪些因58卡諾循環(huán)過程的提出：為了定量研究熱機和制冷機的效率問題，卡諾根據(jù)實際熱機的工作特點：存在一個能提供熱量用于作功的（燃料）熱源，又存在一個接受排出來熱量的熱源（環(huán)境）。提出了一個理想循環(huán)過程，稱為卡諾循環(huán)。理想的循環(huán)過程總是存在一個高溫熱源（燃料）和低溫熱源（環(huán)境）。其正循環(huán)為卡諾熱機（理想熱機），逆循環(huán)為卡諾制冷機（理想制冷機）?？ㄖZ循環(huán)過程的具體構(gòu)成是怎樣？卡諾循環(huán)過程的提出：59四卡諾循環(huán)/CarnotCycle

低溫熱源高溫熱源卡諾熱機WABCD1824年法國的年青工程師卡諾提出一個工作在兩熱源之間的理想循環(huán)—卡諾循環(huán).給出了熱機效率的理論極限值.卡諾循環(huán)：兩個準靜態(tài)等溫過程兩個準靜態(tài)絕熱過程組成四卡諾循環(huán)/CarnotCycle低溫熱源高溫熱源60理想氣體卡諾循環(huán)熱機效率的計算

A—B等溫膨脹

B—C絕熱膨脹

C—D等溫壓縮

D—A絕熱壓縮卡諾循環(huán)：WABCDA—B等溫膨脹吸熱：理想氣體卡諾循環(huán)熱機效率的計算A—B等溫膨脹卡諾循61C—D

等溫壓縮放熱：WABCD

D—A絕熱過程：B—C

絕熱過程：

C—D等溫壓縮放熱：WABCDD—A絕熱過程：62卡諾熱機效率：結(jié)論：卡諾熱機效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩個熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高.

卡諾熱機效率：結(jié)論：卡諾熱機效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩個熱63圖中兩卡諾循環(huán)嗎？討論：圖中兩卡諾循環(huán)嗎？討論：64討論（1）卡諾熱機效率公式指明決定熱機效率的因素和提高效率的途徑。依據(jù)卡諾熱機效率公式，理想熱機的熱功轉(zhuǎn)換效率始終小于100%；（2）提高熱機效率的途徑是提高高溫熱源的溫度或者降低低溫熱源的溫度；討論65（3）由于實際熱機存在摩擦等損耗因素，理想熱機沒有摩擦等損耗因素，因而實際熱機的效率小于或等于理想熱機的效率；（3）由于實際熱機存在摩擦等損耗因素，理想熱機沒有摩擦等損耗66高溫熱源低溫熱源卡諾致冷機卡諾致冷機（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機致冷系數(shù)：WABCD高溫熱源低溫熱源卡諾致冷機卡諾致冷機（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機67人教版道德與法治七年級下冊成長的不僅僅是身體課件768討論（1）依據(jù)卡諾致冷機致冷系數(shù)公式，理想致冷機的致冷系數(shù)始終有限。即要把熱量從低溫物體釋放到高溫物體，一定要作功。（2）提高致冷系數(shù)的途徑？（3）實際致冷機的致冷系數(shù)都小于或等于理想致冷機的致冷系數(shù)討論69小結(jié)：1）卡諾循環(huán)的提出為研究熱機的效率問題（當然為研究致冷機的制冷效率問題）提供了理論基礎(chǔ)。2）人們思索這樣的問題：效率達到100%的熱機和熱量從低溫物體傳導到高溫物體并不違反能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，可是為什么不可能實現(xiàn)？進一步的思考導致熱力學第二定律的發(fā)現(xiàn)。小結(jié)：70五、熱力學第二定律兩種表述方式：1、開爾文表述：不可能制造一種熱機，它從單一熱源吸熱，全部用來對外作功。有人曾計算過，地球表面有10億立方千米的海水，以海水作單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低O.25度，放出熱量，將能變成一千萬億度的電能足夠全世界使用一千年。但只用海洋做為單一熱源的熱機是違反上述第二種講法的，因此要想制造出熱效率為百分之百的熱機是絕對不可能的。五、熱力學第二定律有人曾計算過，地球表面有10億立方千米的海712、克勞修斯表述：熱量不可能自動地從低溫熱源傳遞到高溫熱源。3、熱力學第二定律也可以表述為在：第二類熱機（效率為100%）不可能制造。Clausiusstatement（1850）：Noprocessispossiblewhosesoleresultisthetransferofheatfromacoolertoahotterbody.Clausiusstatementshowsthatanyspontaneousprocessrelatedwithheatisirreversible.

2、克勞修斯表述：熱量不可能自動地從低溫熱源傳遞到高溫熱源。72問題：為什么存在這么多種不同的表述？第二定律和第一定律比較：第一定律否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明了過程進行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。

問題：為什么存在這么多種不同的表述？第二定律和第一定律比較：73因為自然界中所有的熱力學過程是等效的。可以證明：如果開爾文表述不正確，則克勞修斯表述也是不正確的；反之亦然。因為自然界中所有的熱力學過程是等效的。74從可逆過程和不可逆過程角度理解熱力學第二定律：1）可逆過程：如果系統(tǒng)經(jīng)歷一個熱力學循環(huán)過程，系統(tǒng)恢復原狀，同時外界也恢復原狀。2）不可逆過程：如果系統(tǒng)經(jīng)歷一個熱力學循環(huán)過程，系統(tǒng)恢復原狀，同時外界不能恢復原狀。3）從過程是否可逆的角度，熱力學第二定律指出：自然界的所有自發(fā)的熱力學過程都是不可逆過程。比如高溫物體與低溫物體的熱傳導過程；功熱轉(zhuǎn)換過程；氣體絕熱自由膨脹過程。從可逆過程和不可逆過程角度理解熱力學第二定律：75開爾文表述等效熱功轉(zhuǎn)換過程的不可逆性和方向性：自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的.熱力學第二定律的實質(zhì)完全功不完全熱無序有序自發(fā)絕熱的汽缸壁和活塞絕熱壓縮可以把功轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的熱能，但系統(tǒng)無法通過絕熱膨脹把熱能完全轉(zhuǎn)化為功，為什么？說明功熱轉(zhuǎn)換過程是不可逆的。開爾文表述等效熱功轉(zhuǎn)換過程的不可逆性和方向性：自然界一切76非自發(fā)傳熱自發(fā)傳熱高溫物體低溫物體克勞修斯表示等效熱傳導過程的不可逆性和方向性：非均勻、非平衡均勻、平衡自發(fā)低溫物體高溫物體非自發(fā)傳熱自發(fā)傳熱高溫物體低溫物體克勞修斯表示等效熱傳導過77古詩中不可逆過程描寫：劉希夷之代悲白頭翁——年年歲歲花相似，歲歲年年人不同；張若虛之春江花月夜——人生代代無窮已，江月年年只相似；杜甫之春望——國破山河在，城春草木深；崔顥之黃鶴樓——昔人已乘黃鶴去，此地空留黃鶴樓；李白之登金陵鳳凰臺——鳳凰臺上鳳凰游，鳳去臺空江自流；古詩中不可逆過程描寫：劉希夷之代悲白頭翁——年年歲歲花相似，781）

在相同高溫熱源和低溫熱源之間工作的任意工作物質(zhì)的可逆機都具有相同的效率.

六卡諾定理2）工作在相同的高溫熱源和低溫熱源之間的一切不可逆機的效率都不可能大于可逆機的效率.(不可逆機)（可逆機）以卡諾機為例，有1）在相同高溫熱源和低溫熱源之間工作的任六卡諾定理2）79七能量品質(zhì)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律熱力學第一定律熱力學第二定律卡諾定理有用能是受到限制的低溫熱源高溫熱源卡諾熱機可利用的能量越多該能量品質(zhì)越好,反之則差.熱力學第二定律揭示：在不同能量形式的轉(zhuǎn)換過程中，總能量是不變的，但能量品質(zhì)越來越差。七能量品質(zhì)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律熱力學第一定律熱力學第二定律80討論一：熱力學第二定律的微觀意義以自由膨脹為例。從氣體微觀運動的角度，認識熱力學第二定律的微觀統(tǒng)計意義。討論一：熱力學第二定律的微觀意義81Statisticsignificance：(1)Example:Spontaneousexpansionof4moleculessystem.Statisticsignificance：(1)Exa82人教版道德與法治七年級下冊成長的不僅僅是身體課件783結(jié)論：一切自然過程總是沿著分子熱運動無序度增大的方向進行，孤立系統(tǒng)總是從熱力學概率小的宏觀態(tài)向熱力學概率大的宏觀態(tài)進行。結(jié)論：一切自然過程總是沿著分子熱運動無序度增大的方向進行，孤84討論二：自發(fā)熱力學過程能否從無序走向有序？存在麥克斯韋妖(Maxwelldemon)嗎？值得一提的是，除了熱寂說以外，麥克斯韋也曾提出過另外一個有名的悖論，向熱力學第二定律發(fā)起了挑戰(zhàn)。他設(shè)想在兩個相鄰的容器之間開一個窗口，由一個可以分辨分子速度的小精靈操縱窗戶的開閉，如圖所示。小精靈的任務(wù)是將左室中的快分子全部放入右室，而將右室中的慢分子全部放人左室。這樣，只要依靠容器內(nèi)小精靈的工作就可以使系統(tǒng)在不與外界發(fā)生聯(lián)系的情況下實現(xiàn)右室溫度升高，而左室溫度降低，討論二：自發(fā)熱力學過程能否從無序走向有序？存在麥克斯韋妖(M85從而圖中麥克斯韋妖破壞系統(tǒng)原有的熱平衡。由于這個小精靈具有非凡的微觀分辨力，能夠做出驚人之舉：通過有選擇地歸類不同速率的分子，實現(xiàn)溫度高的粒子群與溫度低的粒子群的分離，而破壞熱力學第二定律，因而人們將其稱為麥克斯韋妖(Maxwelldemon)。從而圖中麥克斯韋妖破壞系統(tǒng)原有的熱平衡。由于這個小精靈具有非86討論三：熱力學第二定律的熵的解釋——熵增加原理1）熵是描述一個熱力學系統(tǒng)無序程度的物理量；2）系統(tǒng)越有序，熵越少；越無序，熵越多；3）從熵的角度，熱力學第二定律表述為：孤立系統(tǒng)發(fā)生的熱力學過程都朝著熵增加的方向進行。討論三：熱力學第二定律的熵的解釋——熵增加原理87能量守恒定律表明：透支是不行的！熵增加定律表明：孤立的熱力學系統(tǒng)連不盈不虧也不行！孤立系統(tǒng)雖然能量總量不變，經(jīng)過一系列過程后，能量的品質(zhì)一定越來越差！熵增加定律表明：孤立的熱力學系統(tǒng)連不盈不虧也不行！能量守恒定律表明：透支是不行的！熵增加定律表明：孤立的熱力學88高能量引力能電勢能機械動能核能太陽能化學能地熱能低海水熱能不同能量形式的能量的品質(zhì)高89油頁巖：90E21四種能源的儲備情況克服能源危機的辦法：節(jié)約能源；開發(fā)新能源燃料儲量/J剩余可供開采時間石油12E219E21天然氣11E2110E21煤188E21184E21油頁巖：90E2190討論四：熱力學第二定律與時間的單方向性所有不涉及熱現(xiàn)象的物理規(guī)律均時間反演對稱,它們沒有對時間的方向作出規(guī)定.所謂時間反演,通俗地講就是時光倒流;而物理定律時間反演對稱則指,經(jīng)過時間反演后,該定律依然成立.以牛頓定律為例,它是時間反演對稱的.不妨考察自由落體運動:一物體由靜止開始,在重力作用下自由下落,其初速度V(0)=0,加速度a=g,設(shè)其末速度為V(t),下落高度為h.現(xiàn)進行時間反演,則有其初速度V'(0)=-V(t),加速度a'=g,末速度V'(t)=V(0),上升高度為h,易證這依然滿足牛頓定律.討論四：熱力學第二定律與時間的單方向性91但熱現(xiàn)象則不同,一杯水初始溫度等于室溫,為T(0),放在點燃酒精燈上,從酒精燈火焰吸收熱量Q后溫度為T(t).現(xiàn)進行時間反演,則是水的初溫為T'(0)=T(t),放在點燃酒精燈上,放出熱量Q給酒精燈火焰,自身溫度降為T'(t)=T(0).顯然這違背了熱力學第二定律關(guān)于熱量只能從高溫物體傳向低溫物體的陳述.故熱力學第二定律禁止時間反演.在第一個例子中,如果考慮到空氣阻力,時間反演后也會與理論相悖,原因在于空氣阻力做功產(chǎn)生了熱.但熱現(xiàn)象則不同,一杯水初始溫度等于室溫,為T(0),放92新能源和新能量形式轉(zhuǎn)換1）燃料電池2）太陽能電池3）風能利用新能源和新能量形式轉(zhuǎn)換93我們需要對技術(shù)文明進行思考？1、大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)——帶來物質(zhì)的豐富，污染的加劇，環(huán)境的破壞2、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展——帶來農(nóng)藥，激素和化肥的巨大應(yīng)用兩百年的工業(yè)革命把地球糟蹋得千瘡百孔，生態(tài)失衡，以工業(yè)技術(shù)成果為標志的技術(shù)文明的發(fā)展，到底是讓人類走近理想的樂園還是奔向地獄？是有意打開更加美妙的音樂盒還是無意揭開更多的潘多拉盒子？是建設(shè)更美好家園還是成為人類自己的掘墓人？我們需要對技術(shù)文明進行思考？94結(jié)論：可逆卡諾循環(huán)的熱功比之和等于零。2）任意可逆循環(huán)過程：處理成很多可逆卡諾循環(huán)，整個循環(huán)過程熱溫比之和表示為九、從熵的角度認識熱力學第二定律1）可逆卡諾循環(huán)結(jié)論：可逆卡諾循環(huán)的熱功比之和等于零。九、從熵的角度認識熱力95可逆循環(huán)的熱溫比等于零，說明對于始末態(tài)一定的可逆變化過程，熱溫比之和是不變的，因此引進和始末狀態(tài)對應(yīng)的狀態(tài)函數(shù)S1、S2，則狀態(tài)函數(shù)變化為S稱為系統(tǒng)某個狀態(tài)的熵。于是熵的變化等于可逆過程的熱溫比之和。可逆循環(huán)的熱溫比等于零，說明對于始末態(tài)一定的可逆變化過程，熱962）不可逆卡諾循環(huán)過程：過程熱溫比之和表示為任意不可逆循環(huán)過程：分解為許多小卡諾循環(huán)，則整個過程熱溫比之和表示為2）不可逆卡諾循環(huán)過程：過程熱溫比之和表示為任意不可逆循環(huán)過97人教版道德與法治七年級下冊成長的不僅僅是身體課件798任意不可逆過程，熵的變化大于等于不可逆過程的熱溫比之和。即綜合考慮起來，對于任意熱力學（可逆或不可逆）過程，熵的變化與過程熱溫比的關(guān)系表示為其中，對于可逆過程，取等號；對于不可逆過程，取大于號。任意不可逆過程，熵的變化大于等于不可逆過程的熱溫比之和。即99對于絕熱過程，dQ=0，則熵變化為等號對應(yīng)于可逆絕熱過程，大于號對應(yīng)不可逆絕熱過程對于孤立系統(tǒng)中的任意自發(fā)的熱力學過程因此，孤立系統(tǒng)的自發(fā)熱力學過程，熵總是增加，稱為熵增原理對于絕熱過程，dQ=0，則熵變化為100答：（B）

例一定量的理想氣體，由平衡態(tài)AB，則無論經(jīng)過什么過程，系統(tǒng)必然：

A）對外作正功；B）內(nèi)能增加；

C）從外界吸熱；D）向外界放熱。VPAB**o功和熱量都是過程量,始末狀態(tài)確定后，不同過程，功和熱量是不同的;而內(nèi)能是狀態(tài)量只決定于始末狀態(tài),與過程無關(guān).答：（B）例一定量的理想氣體，由平衡101

例一定量的理想氣體從體積膨脹到體積分別經(jīng)過如下的過程，其中吸熱最多的過程是什么過程？（A-B等壓過程；A-C等溫過程；A-D絕熱過程）解ABCD例一定量的理想氣體從體積膨脹到體積102PVACBD等溫絕熱過程內(nèi)能增量ΔE/J作功W/J吸熱Q/JA→B050B→C-50C→D-50-150D→AABCD循環(huán)效率η＝

例一定量理想氣體的循環(huán)過程如P－V圖所示，請?zhí)顚懕砀裰械目崭?50500-100150015025%PVACBD等溫絕熱過程內(nèi)能增量ΔE/J作功W/J吸熱Q/J103例：一定量的理想氣體經(jīng)歷acb過程時吸熱200J，則經(jīng)歷acbda過程時，吸熱多少？解：ebad1414c例：一定量的理想氣體經(jīng)歷acb過程時吸熱200J，104問：一條等溫線與一條絕熱線能否有兩個交點？答：不可能.因為,若一條等溫線與一條絕熱線有兩個交點，則兩條曲線構(gòu)成了一個循環(huán)過程，它僅從單一的熱源吸熱，且