滬科版物理高二上7-B《能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律》C-能的轉(zhuǎn)化的方向性-能源開發(fā) 教學設(shè)計 課堂練習 反思

第七章內(nèi)能能量守恒定律B能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律C能的轉(zhuǎn)化的方向性能源開發(fā)向明中學嚴城[教學目標]1、知識與技能（1）理解能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律及其意義。能用實例說明機械能、內(nèi)能、光能、核能、化學能、生物能等能量之間的轉(zhuǎn)化。（2）知道能量轉(zhuǎn)化的方向性。知道新能源(風能、水能、太陽能、潮汐能等)的開發(fā)和利用。2、過程與方法（1）通過查閱科學家傳記、實驗探究等方式，感受任何研究都不能背離能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律。（2）通過問題討論、專題研究等多種方式經(jīng)歷有關(guān)能量轉(zhuǎn)化方向性、能源開發(fā)利用等內(nèi)容的認知過程；認識比較、分類、歸納等方法。3、情感、態(tài)度與價值觀（1）通過對“永動機”不可實現(xiàn)的討論，懂得在社會生活中，既要敢于創(chuàng)新、敢于發(fā)明，又要尊重科學，按規(guī)律辦事。（2）通過對新能源的學習，懂得在滿足物質(zhì)生活、精神生活的同時，要愛護我們生活的自然環(huán)境、愛護我們的地球。[教學重點、難點]重點：（1）能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律的內(nèi)容。（2）從能的轉(zhuǎn)化的方向性認識開發(fā)節(jié)能技術(shù)和新能源對人類生存的意義。難點：（1）能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律建立過程中蘊含的思想方法。（2）是認識自然過程的方向性。[教學設(shè)計思路]在了解改變物體內(nèi)能的兩種方式基礎(chǔ)上結(jié)合以往的知識總結(jié)出能量守恒定律，最后通過能量守恒定律闡述永動機是不可能的．各種形式的能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中保持總量不變，無任何附加條件，而某種或幾種能的守恒是要有條件的（例如機械能守恒需要對于系統(tǒng)只有重力或彈力做功）．在講能量守恒定律后，用以往所學知識進行一個簡單的總結(jié)．使學生認識到能量守恒定律是一個普遍的規(guī)律．為激發(fā)學生學習興趣，闡述能量守恒定律的重要意義，可以簡單介紹一下19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)．由熱現(xiàn)象的方向性，說明第二類永動機是不可能的，自然界中的能量是守恒的，但有些能量便于利用，而有些能量不便于利用，我們沒辦法將流失的內(nèi)能重新收集起來加以利用，能量轉(zhuǎn)化的方向性造成能源不可能“用之不完，取之不盡”．本節(jié)內(nèi)容要求不高，可采取學生自學，教師對難點簡單引導(dǎo)的教學方法．介紹一些常規(guī)能源和新能源，使學生對不同形式的能源有所了解．常規(guī)能源的應(yīng)用給環(huán)境帶來不少負面影響，新能源急需開發(fā)，但節(jié)約能源也是當務(wù)之急．能量雖然守恒，但有些能量便于應(yīng)用，有些能量不便于應(yīng)用，能源是有限的，而不是“取之不盡，用之不完”．學生以自學為主．教師可適當向?qū)W生提供一些新能源的詳細資料．[教學資源]各種能量守恒的儀器、圖片、視頻等。[教學內(nèi)容]一、能量守恒定律能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，其總量不變。被恩格斯稱為“偉大的運動基本定律”的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，是19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)之一。大量事實證明，任何形式的能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量時，總能量是守恒的。二、自然過程的方向性大量事實表明，自然界中的一切實際變化過程都具有方向性，朝某個方向的變化是可以自發(fā)發(fā)生的，相反方向的變化卻是受到限制的。這時如果要使變化了的事物重新恢復(fù)到原來的狀態(tài)，一定會對外界產(chǎn)生無法消除的影響，這就是自然過程的不可逆性。對自然過程的方向性的理解：煤燃燒之后，產(chǎn)生的熱量將散發(fā)到周圍空間，但已經(jīng)散失的能量卻不會自動地聚集起來，并恢復(fù)那塊煤的原貌。墨水滴進水盆，就會逐漸擴散，使整盆水變成淺藍色，但這些墨水分子絕不會自動地重新凝聚成一滴墨水，使這盆水變清。山石滾落到平川，經(jīng)過水沖、風化，變成礫石、泥沙，而相反的過程，泥沙重聚成石塊又自動滾上山頂卻是從未被見到過的。姹紫嫣紅的鮮花，最終也將“零落成泥碾作塵，不復(fù)枝頭重吐艷”。無數(shù)的事實告訴我們，凡是實際自然過程，只要涉及熱現(xiàn)象，例如熱傳遞、氣體的膨脹、擴散、帶摩擦的機械運動……，都有特定的方向性，即一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然界中宏觀物理過程都是不可逆的。能量耗散與退化是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中宏觀過程具有方向性。三、永動機歷史上有不少人曾想設(shè)計出一種不消耗任何能量和燃料，卻能源源不斷地對外做功的“永動機”，雖然他們設(shè)計得都非常精巧，結(jié)果卻都以失敗告終，其根本原因，就在于根據(jù)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：任何一種機器只能使能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能無中生有地創(chuàng)造能量。四、能源1、能源能夠提供可利用能量的物質(zhì)資源叫做能源。（1）常規(guī)能源：人們把煤炭、石油、天然氣等在技術(shù)上比較成熟、使用較普遍的能源叫做常規(guī)能源。（2）新能源：近幾十年才開始利用或正在研究開發(fā)的能源叫做新能源，如太陽能、核能、地熱能等。2、能源的劃分能源的劃分有多種方法。（1）一次能源：直接來自自然界的能源叫做一次能源，如煤炭、石油等。一次能源又可分為可再生能源和不可再生能源兩大類。（2）二次能源：從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化而來的能源叫做二次能源，如電能等。還有的把能源分為燃料和非燃料能源兩大類。3、能源的開發(fā)在地球的自然資源中，除了煤炭、石油、天然氣、植物燃料、水能、核能等已被人類廣泛利用的能源外，還有太陽能、風能、地熱能、潮汐能、波浪能、海洋能、生物質(zhì)能等數(shù)量巨大的能源可以利用。這些能源可以再生，是對環(huán)境污染和危害極少的清潔能源。但目前人類使用這些能源的技術(shù)還很不完善，還有待人類去進一步研究和開發(fā)。[課堂練習]一、例題1、如圖所示容器，、中各有一個可以自由移動的活塞，活塞下面是水，上面為大氣，大氣壓恒定．、間用帶有閥門的管道相連，整個裝置與外界隔熱．容器的橫截面積大于容器的橫截面積，開始時的液面高于的液面，開啟閥門后，中的水逐漸流向，直至兩邊液面相平．在這個過程中（）A、大氣壓力對水做功，水的內(nèi)能增加B、水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減小C、大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能不變D、大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能增加答案：D評析：由題知，本過程是一個絕熱過程，沒有熱交換，因此判斷內(nèi)能的改變，只須看做功情況．在水面發(fā)生變化時，大氣壓力對活塞做正功，對活塞做負功，其中對活塞做正功為，對活塞做負功為，而水的體積不變，即，所以大氣壓做的總功為零．但仔細比較此過程會發(fā)現(xiàn)，水的重力做正功，所以水的內(nèi)能增加了．2、在某密閉隔熱的房間內(nèi)有一電冰箱，現(xiàn)接通電源使電冰箱開始工作，并打開電冰箱的門，則過段時間后室內(nèi)的溫度將（）

A、降低B、不變C、升高D、無法判斷

答案：C

評析：電冰箱制冷過程中，使冰箱內(nèi)的溫度降低的同時，又使其外部溫度升高（使冰箱內(nèi)部內(nèi)能轉(zhuǎn)移到外部），此過程不可能自發(fā)發(fā)生，必又消耗電能，此部分電能最終也轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，因此從總能量的角度看，內(nèi)能增加，室內(nèi)溫度上升．3、太陽是維持地球生命系統(tǒng)的重要因素，它為地球提供源源不斷的能源．太陽把地面和大氣曬熱，太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．曬熱的空氣上升，空氣的流動形成風，又轉(zhuǎn)化為風能．太陽把地面和水曬熱，并使一部分水蒸發(fā)，蒸發(fā)的水汽升到空中形成云，又以雨水的形式落下來，流入江河，太陽能轉(zhuǎn)化為水能，可供人類灌溉、發(fā)電．植物發(fā)生光合作用，使太陽能轉(zhuǎn)化為植物的化學能，植物又被動物吃掉，使之有轉(zhuǎn)化為動物的化學能，古代的動植物死亡后在地質(zhì)變遷中變?yōu)槊骸⑹秃吞烊粴獾?，轉(zhuǎn)化為燃料的化學能．通過閱讀上述文字，結(jié)合自己所學知識，回答下列問題：（1）煤、石油、天然氣等能源能以熱的形式提供人類所需能量．試以它們各自的主要成分C、CnH2n+2、CH4為代表，寫出它們充分燃燒時的化學反應(yīng)方程式，并指出它們?nèi)紵龝r，哪一種產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體（CO2）少？（2）水能可以用來發(fā)電，為人類提供清潔能源．若某水電站的平均流量為(m3/s)，落差為(m)，發(fā)電效率為，則發(fā)電機組的輸出電功率約為多少？（3）在一太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置中，光先分解水產(chǎn)生氫氣，再通過氫——氧燃料電池轉(zhuǎn)化為電能．若電池的電解質(zhì)為堿性，電池正極反應(yīng)式為__________________；負極反應(yīng)式為________________．解：（1）質(zhì)量相同的燃料，CH4產(chǎn)生的溫室氣體最少．（2）由題知，單位時間內(nèi)落下的水的質(zhì)量，這些水落下時重力勢能減小，它們轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)化效率為，所以發(fā)電機組的輸出電功率：（3）2H2+4OH－－4e=4H2OO2+2H2O+4e=4OH－評析：本題是有關(guān)能源的一個跨學科綜合題，需要結(jié)合物理、化學和生物等方面的知識．二、練習1、一定質(zhì)量的理想氣體，如果體積膨脹，同時吸收熱量，下列關(guān)于該氣體內(nèi)能變化的說法中正確的是（）

A、如果氣體對外做的功大于吸收的熱量，氣體內(nèi)能將減少

B、如果氣體對外做的功小于吸收的熱量，氣體內(nèi)能將減少

C、如果氣體對外做的功等于吸收的熱量，氣體內(nèi)能將不變

D、如果氣體對外做的功等于吸收的熱量，氣體內(nèi)能可能改變

2、關(guān)于能的轉(zhuǎn)化與守恒定律的下列說法錯誤的是（）

A、能量能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的能，但不能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一物體

B、能量的形式多種多樣，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化

C、一個物體能量增加了，必然伴隨著別的物體能量減少

D、能的轉(zhuǎn)化與守恒定律證明了第一類永動機是不可能存在的

3、一個物體沿粗糙斜面勻速滑下，則下列說法正確的是（）

A、物體機械能不變，內(nèi)能也不變

B、物體機械能減小，內(nèi)能不變

C、物體機械能減小，內(nèi)能增大，機械能與內(nèi)能總量減小

D、物體機械能減小，內(nèi)能增大，機械能與內(nèi)能總量不變4、下列說法中正確的是（）

A、熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B、內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為動能

C、摩擦生熱是動能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化D、熱機的效率最多可以達到100％

5、下列說法正確的是（）

A、第二類永動機與第一類永動機一樣違背了能量守恒定律

B、自然界中的能量是守恒的，所以能量永不枯竭，不必節(jié)約能源

C、自然界中有的能量便于利用，有的不便于利用

D、不可能讓熱量由低溫物體傳遞給高溫物體而不引起其它任何變化6、下列關(guān)于能源的說法中正確的是（）

A、自然界中的能量是守恒的，所以能量永不枯竭，不必節(jié)約能源

B、煤、石油、天然氣等屬于常規(guī)能源

C、水能是可再生能源

D、常規(guī)能源的大量使用有時對環(huán)境有較大影響，如“溫室效應(yīng)”答案：1、AC2、A3、D4、C5、CD6、BCD[板書設(shè)計]一、能量守恒定律能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，其總量不變。二、自然過程的方向性大量事實表明，自然界中的一切實際變化過程都具有方向性，朝某個方向的變化是可以自發(fā)發(fā)生的，相反方向的變化卻是受到限制的。這時如果要使變化了的事物重新恢復(fù)到原來的狀態(tài)，一定會對外界產(chǎn)生無法消除的影響，這就是自然過程的不可逆性。能量耗散與退化是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中宏觀過程具有方向性。三、永動機歷史上有不少人曾想設(shè)計出一種不消耗任何能量和燃料，卻能源源不斷地對外做功的“永動機”，雖然他們設(shè)計得都非常精巧，結(jié)果卻都以失敗告終。四、能源1、能源能夠提供可利用能量的物質(zhì)資源叫做能源。（1）常規(guī)能源：人們把煤炭、石油、天然氣等在技術(shù)上比較成熟、使用較普遍的能源叫做常規(guī)能源。（2）新能源：近幾十年才開始利用或正在研究開發(fā)的能源叫做新能源，如太陽能、核能、地熱能等。2、能源的劃分能源的劃分有多種方法。（1）一次能源：直接來自自然界的能源叫做一次能源，如煤炭、石油等。（2）二次能源：從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化而來的能源叫做二次能源，如電能等。3、能源的開發(fā)太陽能、風能、地熱能、潮汐能、波浪能、海洋能、生物質(zhì)能等數(shù)量巨大的能源可以利用。這些能源可以再生，是對環(huán)境污染和危害極少的清潔能源。但目前人類使用這些能源的技術(shù)還很不完善，還有待人類去進一步研究和開發(fā)。[作業(yè)]練習部分5頁第1至7題；8頁第1至12題[教學反思]【附錄】熱、熱運動與熱現(xiàn)象“熱”是物體內(nèi)部物質(zhì)運動的一種形式。請不要小看這么一句簡單的話，物理學上對“熱”下這么一個科學定義，經(jīng)歷了幾代人的探索和研究，這里包括同18世紀初出現(xiàn)的認為熱是一種特殊物質(zhì)——熱質(zhì)這種熱質(zhì)論的斗爭。直到1744年羅蒙諾索夫在研究了摩擦生熱等現(xiàn)象以后，在他的論文“論熱與冷的原因”中才提出了熱是運動的新的理論。他寫道：“大家都知道，熱是由運動激發(fā)的：兩手由于互相摩擦而暖和，燧石擦鋼飛出火星，鐵在頻頻用力打擊時變成灼熱……。由此我們得出結(jié)論，不必把物體的熱當作是某種為了解釋熱現(xiàn)象而特別規(guī)定的微妙的物質(zhì)的聚集，而應(yīng)當把熱作為是物體內(nèi)部物質(zhì)的運動。”羅蒙諾索夫的這段話既深刻又精辟。翻開熱學史，可以清楚地看出第一次給熱下科學定義的就是這一段話，不愧為是一偉大的創(chuàng)舉。到19世紀中，費厄和焦耳用許多論據(jù)和實驗證明了熱是運動形式這個觀點。從此，熱是物體內(nèi)部物質(zhì)的一種運動形式這種說法也就具有了科學的地位，并一直被后人接受和承認。

所謂熱運動就是宏觀物體內(nèi)部大量微觀粒子（如分子、原子、電子等）的一種連續(xù)的混亂的無規(guī)則運動，是物質(zhì)的一種特殊運動形式，它比機械運動要更高級、更復(fù)雜。物體的冷熱程度完全由大量微觀粒子的這種無規(guī)則運動的強度所決定。所謂的無規(guī)則運動只是指大量微粒中各個單個微粒的運動的徑跡表現(xiàn)得雜亂而沒有規(guī)律。但這并不說明微粒的運動完全沒有規(guī)律性，事實上，只要微粒數(shù)量足夠大，這大量微粒無規(guī)則運動的總和總是能表現(xiàn)出新的現(xiàn)象和新的規(guī)律性，這些規(guī)律當然是不能從力學定律導(dǎo)出，而只能用統(tǒng)計方法導(dǎo)出。譬如，就大量分子微粒來說，大量分子熱運動的平均平動動能就是一個統(tǒng)計規(guī)律，它是表征分子無規(guī)則熱運動強度最適當?shù)奈锢砹?。平均平動動能越高，分子無規(guī)則熱運動就越劇烈，物體也就越熱，溫度也就越高。

至于熱現(xiàn)象乃指一切與溫度有關(guān)的物體性質(zhì)的變化。例如膨脹、收縮、熔解、凝固、蒸發(fā)、凝結(jié)、擴散等等。

應(yīng)當指出，一個物體總是由大量微粒（分子）組成的，物體所表現(xiàn)出來的種種熱現(xiàn)象應(yīng)是大量分子熱運動共同起作用的結(jié)果。只有一個微粒（分子）時，像膨脹、熔解等熱現(xiàn)象根本沒有意義。因此，單個分子無規(guī)則運動決不會產(chǎn)生熱現(xiàn)象。

另外，大量分子有規(guī)則運動也不能產(chǎn)生熱現(xiàn)象。如把物體放在汽車上跟著汽車一起運動，這時每個分子除了無規(guī)則的運動外，還獲得了和汽車相同的整體運動速度。全體分子的這種整體宏觀機械運動并不引起像膨脹、溶解一類的物體性質(zhì)的任何變化，并沒有熱現(xiàn)象產(chǎn)生，也就是說物體分子的這種運動并不導(dǎo)致物體溫度的改變。但話得說回，分子整體的宏觀機械運動倒可以轉(zhuǎn)變成為分子的無規(guī)則熱運動。例如，把兩塊冰進行摩擦，由于冰塊并不是絕對平滑的，冰塊的表面分子之間可以發(fā)生各種形式的碰撞，碰撞的結(jié)果使許多分子獲得了另外方向的混亂的速度，因而把向著摩擦方向的整體運動轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)則熱運動。運動形式的這種轉(zhuǎn)變就引起冰塊變熱，逐漸熔解。把分子有規(guī)則的運動轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿訜o規(guī)則熱運動來進行加熱的方式是多種多樣的，除了摩擦生熱以外，通電流也可以使導(dǎo)線發(fā)熱。在金屬導(dǎo)體內(nèi)的電流是電子在沿著電場反方向整體運動所引起的。但電子不時地碰撞在平衡位置附近振動的原子，把自己的一部分能量傳給了原子（實為離子），于是就引起了原子無規(guī)則熱運動的加強，使得導(dǎo)線發(fā)熱。燃燒使溫度升高，則是因為氧原子與碳原子在結(jié)合過程中，把原來一部分分子內(nèi)部的化學能轉(zhuǎn)化成了分子之間無規(guī)則熱運動的動能。無規(guī)則運動的加強，就引起了溫度的升高．

以上，我們用了一定的篇幅，對熱、熱運動和熱現(xiàn)象分別作了闡述?？梢钥闯?，它們?nèi)咧g既有區(qū)別又有聯(lián)系，是三個不同的熱學概念。但作為本節(jié)的結(jié)束，我們還不得不對“熱”的概念作一補充說明。在日常生活中，“熱”其實是一個具有多種含義的字，即使在物理學中的不同場合下，它也有不同的含義。所以，我們要特別注意從概念上加以區(qū)別。以下幾種情況下的“熱”字就代表了不同的含義。

（1）摩擦生熱——表示機械能轉(zhuǎn)換成為內(nèi)能，這里的“熱”字指的是內(nèi)能。

（2）電烙鐵通電以后，很快就熱起來了——這里的“熱”字表示冷熱程度，即表示溫度升高的意思。

（3）熱功當量——這里的“熱”字指的是熱量，表示熱量與功在改變物體內(nèi)能數(shù)量上具有相當關(guān)系。

（4）熱與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活有密切關(guān)系——這里的“熱”字表示的是物質(zhì)的一切熱現(xiàn)象。

除以上四句例子外，生活中還能找到很多例子，這里不再一一列舉。希望讀者能結(jié)合碰到的問題，自行判斷“熱”字的含義。熱力學第二定律的建立熱力學第二定律是由德國物理學家克勞修斯和英國物理學家開爾文(威廉·湯姆孫)建立的，它和熱力學第一定律及熱力學第三定律一起，成為研究熱的動力理論的基本規(guī)律．

(1)熱力學第二定律建立的歷史背景

19世紀初，蒸汽機已有很大發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于工廠、礦山、交通運輸，但當時對蒸汽機的理論研究還很缺乏，法國工程師s．卡諾在這方面做出了突出的貢獻．

卡諾在1824年發(fā)表了《論火的動力》．他撇開一些次要的因素，由理想循環(huán)人手，研究了熱機工作中的最基本因素，提出了以卡諾命名的有關(guān)熱機效率的定理，明確指出：“凡是有溫度差的地方，就能夠發(fā)生動力”，“動力不依賴于提供它的工作物質(zhì)，動力的大小唯一地由熱質(zhì)在其間轉(zhuǎn)移的一些物體的溫度決定”．在證明這一定理時，他采用了熱質(zhì)守恒的思想和永動機不可能的原理．其實卡諾定理已內(nèi)涵了熱力學第二定律的思想，但終究因為熱質(zhì)說的錯誤觀點，沒能作進一步的研究不過可以說卡諾定理是建立熱力學第二定律的先導(dǎo)．

1840——1847年間，熱力學第一定律建立起來了，它說明熱機提供的動力只依靠熱質(zhì)在冷、熱源之間重新分配的說法是不正確的．因此，非常需要對卡諾的理論作進一步審核，把他的原理建立在新的熱學理論的基礎(chǔ)上．

1848年，開爾文根據(jù)卡諾提出的“一切理想熱機在同樣的熱源與冷源之間工作時，其效率相等，與使用的工作物質(zhì)無關(guān)”的理論，建立了絕對溫標的概念．這一溫標具有一定的特點，例如：“這一溫標系統(tǒng)中的每一度的間隔都有同樣的數(shù)值”，“它完全不依賴于任何特殊物質(zhì)的物理性質(zhì)”，因此被稱為絕對溫標．這種熱力學溫標的建立，從理論上解決了各種經(jīng)驗溫標不相一致的缺點，并為熱力學第二定律的建立準備了條件．

(2)熱力學第二定律建立的過程

在上述歷史背景和前提條件下，克勞修斯集中大部分時間，精心研究了熱力學問題，從不同角度發(fā)表了多篇文章．提出并完善了著名的熱力學第二定律的克勞修斯表述．

1850年，克勞修斯發(fā)表了《論熱的動力以及由此推出的關(guān)于熱學本身的諸定律》的論文，他從“熱并不是一種物質(zhì)，而是存在于物體的最小粒子的一種運動”的觀點出發(fā)，重新考察了卡諾所提出的理論后指出：卡諾得出熱量由熱體向冷體傳遞時產(chǎn)生當量的功是正確的，而在由熱體向冷體傳遞時沒有熱量損失是錯誤的．克勞修斯認為在由熱做功的過程中，一部分熱做了機械功，另一部分熱通過從熱體向冷體傳遞而耗散掉．克勞修斯通過—個假想

的實驗，得出熱力學第二定律的初次表述：“在沒有任何力消耗或其他變化的情況下，把任意多的熱量從冷體傳到熱體是和熱的慣常行為矛盾的．”后在1854年發(fā)表《力學的熱理淪的第二定律的另一形式》中，將熱力學第二定律的表述改變?yōu)椋骸盁岵豢赡苡衫潴w傳到熱體，如果因而不同時引起其他關(guān)系的變化”．

克勞修斯在取得一定成就后，仍繼續(xù)自己的研究工作，1865年發(fā)表《力學的熱理論的主要方程之便于應(yīng)用的形式》一文，明確地提出了熵的概念，并進一步提出了熱力學第二定期普遍表示式：

等號適用于可逆循環(huán)，不等號適用示不可逆過程．這個式子說明熵變具有方向性，對于絕熱過程，系統(tǒng)的熵不可能減小，這就是所謂的熵增加原理．并規(guī)定熵增加的方向為正向，熵減少的方向為負向．

1867年，克勞修斯又發(fā)表了《關(guān)于熱的動力理論的第二定律》一文，總結(jié)出一條原理：“負的轉(zhuǎn)變只能在有補償條件下發(fā)生，而正的轉(zhuǎn)變即使沒有補償也能發(fā)生，或者簡要地說，不需補償?shù)霓D(zhuǎn)彎只夠是正的轉(zhuǎn)變”．

1875年，克勞修斯在《熱的動力理論》—交中，將熱力學第二定律提出了更精煉的說法：“熱不可能自動地從冷體傳到熱體”或“熱從一冷體轉(zhuǎn)向一熱體不可能無補償?shù)匕l(fā)生”．這就是大家所公認的熱力學第二定律的克勞修斯表達．

同時，對熱力學第二定律作出貢獻的還有開爾文．他用焦耳的熱功當量實驗和雷諾對蒸汽性質(zhì)的觀察，重新審查了卡諾定理，從“熱是一種粒子的運動而不是物質(zhì)”的觀念出發(fā)，來認識熱與功相互轉(zhuǎn)化的過程．1851年發(fā)表《論熱的動力理論》，提出了兩個命題：“1、當不論借助于什么方法，從純粹的熱源得到等量的機械效應(yīng)，或等量的機械效應(yīng)變成純粹的熱效應(yīng)而消失時，則有等量的熱因之消耗或由此產(chǎn)生*”“2、如果有這樣一部機器，當它反過來運轉(zhuǎn)時，它的每一部分的物理的和力學的動作全部倒過來，那么，它將像具有相同溫度的熱源和冷凝器的任何熱機一樣，由一定量的熱產(chǎn)生同樣多的機械效應(yīng)．”接著又提出證明第二命題的一個公理：“借助無生命的物質(zhì)機構(gòu)通過使物質(zhì)的任何部分冷卻到比周圍最冷的物體的溫度還要低的溫度而得到機械效應(yīng)，是不可能的”他在對這一公理的注釋中指出：如果公理在一切溫度下都不成立，就必須承認可以有這樣一種永動機存在，它借助于使海水或

土壤冷卻而無限制地得到機械功即第二類永動機．以上是開爾文對熱力學第二定律的原始表述，后來才逐漸演變成現(xiàn)在教科書中出現(xiàn)的、更精煉的說法：“不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓?，而不產(chǎn)生其他影響．”這就是公認的熱力學第二定律的開爾文表述．在這一表述中，明確表示熱機必須工作在兩個熱源之間，更指出了第二類永動機的不可能，所以具有理論意義和實踐意義．

克勞修斯和開爾文雖然從不同的角度表述了熱力學第二定律，但是二者是等效的．因此通過他們的工作，反映熱力學過程方向性的熱力學第二定律建立起來了．孤立系統(tǒng)與封閉系統(tǒng)眾所周知，熱力學是研究物質(zhì)世界有關(guān)熱現(xiàn)象規(guī)律的科學。由于熱現(xiàn)象是組成物質(zhì)的大量粒子（可以是分子、原子、電子等）的集體表現(xiàn)，熱力學所研究的對象應(yīng)是由大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)。這大量粒子的集合被稱作為熱力學系統(tǒng)或簡稱系統(tǒng)。如果記住每摩爾物質(zhì)的分子數(shù)為的數(shù)量級，我們對這個“大量”的含意將會更清楚些。所謂孤立系統(tǒng)與封閉系統(tǒng)就是依據(jù)系統(tǒng)與外界的相互關(guān)系對系統(tǒng)所做的一種分類。但是，有些人總認為“封閉”了必定是“孤立”，故“孤立”系統(tǒng)與“封閉”系統(tǒng)是一個意義，沒有必要再把它們區(qū)別。事實卻并不如此，物理學上對這兩個系統(tǒng)有嚴格規(guī)定，它們有不同的條件和物理含義。如果某一系統(tǒng)與周圍環(huán)境沒有任何相互作用，則此系統(tǒng)就叫做孤立系統(tǒng)。嚴格說來，任何系統(tǒng)都要受到外界影響，自然界并不真正存在孤立系統(tǒng)。然而，在一段時間內(nèi)，當系統(tǒng)所受的外界作用對所研究的問題影響小到可以忽略不計時，我們就可以近似地將它看作孤立系統(tǒng)。譬如，將中性氣體放在絕熱性能很好的固定彈性壁做成的匣子內(nèi)，又不計重力的影響，這就可以把它近似地看作為孤立系統(tǒng)，如圖所示。當系統(tǒng)被封閉容器與外界隔離開來時，它與外界便沒有物質(zhì)交換。然而，由于容器壁可以移動或傳熱，從而使系統(tǒng)與外界之間可產(chǎn)生能量交換（如做功或傳熱）、這種系統(tǒng)叫做封閉系統(tǒng)。如汽缸內(nèi)被活塞封閉的氣體就是一例。除孤立系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)外，還有一種開放系統(tǒng)。所謂開放系統(tǒng)就是與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。敞口容器里放著的水，如圖所示，由于水分子可以蒸發(fā)，又可重新凝結(jié)，因此，水作為一個系統(tǒng)，它與大氣既有物質(zhì)的交換也有能量的傳遞，便是開放系統(tǒng)的例子。孤立系統(tǒng)與封閉系統(tǒng)的概念明確以后，我們就可找出它們的聯(lián)系點和區(qū)別點。（1）孤立系統(tǒng)與封閉系統(tǒng)描述的對象都是由大數(shù)量粒子組成的宏觀系統(tǒng)、它們可以是常見的氣體系統(tǒng)、液體系統(tǒng)，還可以是熱輻射系統(tǒng)、表面膜系統(tǒng)、電磁介質(zhì)系統(tǒng)、溶液及化學反應(yīng)系統(tǒng)等等。不僅如此，按現(xiàn)代化新科學的觀點，它們還可以泛指生物系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)及其他自然和社會的系統(tǒng)。只不過在此情況下，組成這些復(fù)雜系統(tǒng)的不是大數(shù)量分子、原子、電子之類的物理、化學粒子，而是指大數(shù)量相互作用的生物體、生物種群以及社會經(jīng)濟單元等等。（2）孤立系統(tǒng)似乎是一個與世隔絕的理想化系統(tǒng)，而封閉系統(tǒng)則是一個比較現(xiàn)實的系統(tǒng)。（3）孤立系統(tǒng)與外界既無能量交換又無物質(zhì)交換，系統(tǒng)的演化和發(fā)展主要是由系統(tǒng)內(nèi)部相互作用引起的、自發(fā)進行的。并根據(jù)熱力學第一定律可推知，系統(tǒng)在演化、發(fā)展過程中，內(nèi)能保持不變；而封閉系統(tǒng)僅是與外界無物質(zhì)交換，并根據(jù)熱力學第一定律可推知，系統(tǒng)在變化過程中，內(nèi)能是可以變化的。（4）由孤立系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)的條件可知，孤立系統(tǒng)一定是封閉系統(tǒng)，而封閉系統(tǒng)卻不必是孤立系統(tǒng)。顯然，前者的外延被后者的外延全部包含，故在這里，孤立系統(tǒng)是個種概念，而封閉系統(tǒng)是個屬概念。潮汐產(chǎn)生的原因到過海邊的人都知道，海水有漲潮和落潮現(xiàn)象。漲潮時，海水上漲，波浪滾滾，景色十分壯觀；退潮時，海水悄然退去，露出一片海灘。我國古書上說："大海之水，朝生為潮，夕生為汐。"那么，潮汐是怎樣產(chǎn)生的？

古時候，很多賢哲都探討過這個問題，提出過一些假想。古希臘哲學家柏拉圖認為地球和人一樣，也要呼吸，潮汐就是地球的呼吸。他猜想這是由于地下巖穴中的振動造成的，就像人的心臟跳動一樣。

隨著人們對潮汐現(xiàn)象的不斷觀察，對潮汐現(xiàn)象的真正原因逐漸有了認識。我國古代余道安在《海潮圖序》一書中說："潮之漲落，海非增減，蓋月之所臨，則之往從之。"漢代思想家王充在《論衡》中寫到："濤之起也，隨月盛衰。"他們都指出了潮汐與月球有關(guān)系。到了17世紀80年代，英國科學家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律以后，提出了潮汐是由于月球和太陽對海水的吸引力引起的假設(shè)，從而科學地解釋了潮汐產(chǎn)生的原因。

原來，海水隨著地球自轉(zhuǎn)也在旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的物體都受到離心力的作用，使它們有離開旋轉(zhuǎn)中心的傾向，這就好象旋轉(zhuǎn)張開的雨傘，雨傘上水珠將要被甩出去一樣。同時海水還受到月球、太陽和其它天體的吸引力，因為月球離地球最近，所以月球的吸引力較大。這樣海水在這兩個力的共同作用下形成了引潮力。由于地球、月球在不斷運動，地球、月球與太陽的相對位置在發(fā)生周期性變化，因此引潮力也在周期性變化，這就使潮汐現(xiàn)象周期性地發(fā)生。潮汐能以及人類對潮汐能的利用大海的脈搏，每天都在不停地運動，漲潮時它把海水向岸邊沖去，落潮時又把海水退回海中。潮汐這樣往復(fù)不停地而又有規(guī)律地運送海水，就攜帶了巨大的能量。條條江河歸大海，在每條大河出海的河口處，往往會出現(xiàn)洶涌澎湃的潮汐現(xiàn)象，如英國的塞汶河，法國的塞納河，印度的恒河，巴西的亞馬孫河等等著名的河口，最為壯觀的是我國錢塘江的潮涌，早就聞名于世。

每年農(nóng)歷八月十八日，我國錢塘江都出現(xiàn)一種奇特的潮涌現(xiàn)象。放眼遠望，碧海茫茫，天水相連，瞬間洶涌的潮水，前呼后擁，推波助瀾，從遠到近，由天邊滾滾而來。潮聲震天動地，其勢如萬馬奔騰，平靜的海面上很快地形成十多米高的潮浪，又掀起七米多高的水花，一派"滔天濁浪排空來，翻江倒海山為摧"的壯麗景色。錢塘江潮涌最早聞名于世。幾千年來，錢塘江潮汐總是滾滾而來，默默而去，只作為供人欣賞的自然美景，一直沒有開發(fā)利用。對于這個得天獨厚的自然資源，中國科學家將發(fā)揮自己的聰明才智，在二十一世紀時，錢塘江口不光有震天動地的潮汐為游人欣賞，而且有一座座潮汐發(fā)電站點綴其間。發(fā)電站的水輪機在洶涌澎湃的潮水推動下飛快地運轉(zhuǎn)，愉快地歌唱，把巨大的水能轉(zhuǎn)變成現(xiàn)代化生活中必不可少的電能。潮水緩緩?fù)巳r，被錢塘江外大壩上的無數(shù)個大閘鎖住，水位提高，造成一個個水位的落差，再一次利用其巨大的能量為人類服務(wù)。

據(jù)估計，世界上約有十億千瓦的潮汐能。我國大陸海岸線長達一萬八千多公里，潮汐資源的蘊藏量在二億千瓦以上。

開發(fā)潮汐，利甲潮汐發(fā)電并不是人類異想天開。目前，蘇聯(lián)每年從潮汐中獲得大量的電能。在巴倫支海，摩爾曼斯克以北的基斯拉亞灣，就建造了八百千瓦的潮汐電站，1969年以來，一直正常運轉(zhuǎn)。蘇聯(lián)還打算在近期內(nèi)將白海的美晉河口再建一個更大的潮汐電站，第一階段為一百三十萬千瓦，以后還要發(fā)展到六百萬千瓦。

潮汐能潛力是無限的，條條河流都可開發(fā)利用，而且對環(huán)境無污染，無影響，確實值得人們?nèi)ヌ角?、思考，為人類所用?/p>

另外，格陵蘭和蘇格蘭附近諸島之間有一個海洋大瀑布，它使地球上任何一個著名的瀑布都黯然失色，望塵莫及。這個瀑布是從北冰洋急流而來。從三千米高度直瀉而入大西洋。當年李白描寫廬山瀑布時只是"飛流直下三千尺，疑是銀河落九天"，三千尺只是一千米的高度，現(xiàn)在這海洋大瀑布是飛流直下三千米。估計瀑布容積在十五萬立方公里以上。北冰洋的冰水水溫低，密度大，水流急，遇到格陵蘭和蘇格蘭諸島的陡峭的陸地阻礙它前進，也就一鼓作氣，騰空飛越而去，急劇直下，就形成波瀾壯觀的大瀑布。現(xiàn)在科學家們紛紛開始探索如何利用它。到2000年，在瀑布下一定有一座座巨大的水電站，利用飛流直下的北冰洋的海水，推動水輪機發(fā)出巨大的電力供應(yīng)格陵蘭地區(qū)。由此，可以進一步開發(fā)建設(shè)嚴寒的格陵蘭地區(qū)。

浩瀚的海洋中蘊藏著極為豐富的能量資源。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，讓占海洋能量資源百分之九十九的大洋渦漩和海底瀑布為人類提供源源不斷的能源吧！地熱能以及人類對地熱能的利用地熱是埋藏在地下的熱源。地球可分為三層。地表層為"地殼"，它的厚度很不均勻，在幾公里至七十公里不等；地殼下面為"地幔"，它大部分是熔融狀態(tài)的巖漿，厚度為二千九百公里；地球內(nèi)部為"地核"，地核又可分為外地核和內(nèi)地核。據(jù)各種資料推斷，地殼底部和地幔上部溫度約為一千一百到一千三百度，地核中心可達二千到五千度。有人估計，地球的地熱大約為地球全部煤儲量的一億七千倍。整個地球內(nèi)部的熱量約等于3×1080卡。如果僅僅開采地下三公里以內(nèi)的地熱資源也就足以抵得上二萬九千億噸煤。因此地熱是一股不可小看的資源。

世界上對地熱的利用早就開始，但直到進入七十年代才漸漸地得到充分重視，也開始從利用地熱取暖轉(zhuǎn)為地熱發(fā)電。目前世界上已有二十五個國家建立了地熱發(fā)電站，設(shè)備能力不少于一百三十八千瓦，前景是誘人的。

但是，地熱卻容易污染環(huán)境，造成水中礦物質(zhì)和鹽分的增加，還會產(chǎn)生硫化氫等有害氣體。目前科學家一方面在研究開發(fā)地熱，另一方面正在探討如何防止地熱的污染。到了二十一世紀，地熱將廣泛地應(yīng)用于世界各地。在地球的每個角落都可以看到地熱溫室，地熱暖房，甚至地熱電站。對于地熱帶出的硫化氫及其它礦物質(zhì)，都經(jīng)過提煉，濃縮制成了許多化工生產(chǎn)中需要的化工原料，地熱水又可以成為清潔的水源供人們使用。瞻望遠景，火山活動、地震這些能源，遲早會被人類控制利用。到那時，一座座活火山，一塊塊地震劇烈活動地區(qū)，就象一個個大油田那樣，成為人類寶貴的能量資源。更多的清潔能源除太陽能、風能、潮汐能、海洋能