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10.4《热力学第二定律》


10.4 热力学第二定律

问题提出:
我们在初中学过,当物体温度升高时,就要 吸收热量;当物体温度降低时,就要放出热 量。而且热量公式Q = cm△t,这里有一个 有趣的问题:地球上有大量的海水,它的总质 量约为1.4×1018 t , 如果这些海水的温度降 低0.1oC,将要放出多少焦耳的热量?海水的 比热容为C=4.2×103J/(kg〃℃)


放出5.8×1023J的热量,这相当于1800万个核 电站一年的发电量

?热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体
“自发地”,指的是没有任何外界的影响或帮助。 有没有可能发生这样地现象,热量自发地从低温物体传 给高温物体,使低温物体的温度越来越低,高温物体的温 度越来越高。

?电冰箱内部的温度比外部低,为什么致冷系统还能 够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气? ?这是因为电冰箱消耗了电能,对致冷系统做了功。 一旦切断电源,电冰箱就不能把其内部的热量传给 外界的空气了。相反,外界的热量会自发地传给电 冰箱,使其温度逐渐升高。

某种变化有自动发生的趋势,一旦发生就无 需借助外力,可以自动进行,这种变化称为自 发变化。 自发变化的共同特征—不可逆性 任何自发 变化的逆过程是不能自动进行的。

大气
电冰箱制 冷系统

贮藏的 食品

① 热量却不能自发地从低温物体传向高温物体
② 要将热量从低温物体传向高温物体,必须有外

界的影响和帮助,就是要有外界对其做功才能完 成
热传导的方向性:两个温度不同的物体相互接触 时,热量会自发地从高温物体传给低温物体;要 实现相反过程,必须借助外界的帮助,因而产生

其他影响或引起其他变化。

?结论:热力学第二定律的一种表述:热量不 能自发地从低温物体传到高温物体。这是 热力学第二定律的克劳修斯表述。
(按照热传递的方向性来表述的)

?热力学第二定律的克劳修斯表述实 质上就是:热传递过程是不可逆的。

一个在水平地面上的物体, 由于克服摩擦力做功,最后 要停下来。在这个过程中, 物体的动能转化成为内能, 使物体和地面的温度升高。

降温 我们能不能看到这样的现象:一 个放在水平地面上的物体,靠降低 温度,可以把内能自发地转化为动 能,使这个物体运动起来.

思考讨论下列问题: 1.前面我们学习了第一类永动机,不能制成的原因是 什么? (违背了能量守恒) 2.热机是一种把什么能转化成什么能的装置? (热机是一种把内能转化成机械能的装置) 3.热机的效率能否达到100%? (热机的效率不能达到100%)

以内燃机为例,气缸中的气 体得到燃烧时产生的热量为 Q1,推动活塞做工W,然 后排出废气,同时把热量 Q2散发到大气中, 由能量守恒定律可知:Q1 = W + Q2 ?我们把热机做的功W和它 从热源吸收的热量Q1的比 值叫做热机的效率,用η表 示

?η=W / Q1

?实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械 能,热机必须有热源和冷凝器,热机工作时, 总要向冷凝器散热,不可避免的要由工作物质 带走一部分热量Q2,所以有:Q1>W ?因此,热机的效率不可能达到100%,汽车上 的汽油机械效率只有20%~30%,蒸汽轮机的 效率比较高,也只能达到60%,即使是理想热 机,没有摩擦,也没有漏气等能量损失,它也 不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能, 总要有一部分散发到冷凝器中。 热转换为功的过程也是不可逆的,具有方向性。

机械能和内能的转化过程具有方向性 机械能可以全部转化成内能,但内能却不能 全部转化成机械能,同时不引起其他变化。
热力学第二定律的开尔文表述

不可能从单一热库吸收热量,使之完全变 成功,而不产生其他影响。 (机械能与内能转化具有方向性)

第二类永动机:人们把想象中能够从单 一热源吸收热量,全部用来做功而不 引起其他变化的热机叫做第二类永动 机。 第二类永动机不可能制成

定律的两种表述
不可能将热量从低温物体 传到高温物体而不引起其它变化(即热量不能 自发地从低温物体传到高温物体)。 不可能从单一热库吸收热 量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。 (第二类永动机是不可能制成的)

两种表述是等价的
可以从一种表述导出另一种表述,两种 表述都称为热力学第二定律

热力学第二定律的意义
1)提示了有大量分子参与的宏观过程的方向 性,是独立于热力学第一定律的一个重要自 然规律. 2)对生活实践的指导作用

热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的 方向性。(自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具 有方向性)。

?不管如何表述,热力学第二定律的实质在于揭示了:一 切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。 自然过程是按一定方向进行的。

热学过程的方向性(实例)
1、热传导的方向性 2、扩散现象有方向性

A

B

A

B

“气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不 可逆的”

热学过程的方向性(实例)
1、热传导的方向性
2、扩散现象有方向性 3、能量转化有方向性
· ·

功 ? 热:可自动进行 (如摩擦生热、焦耳实验) 热 ? 功:不可自动进行 (焦耳实验中,不可能水温自动 降低推动叶片而使重物升高)

水 叶片

焦耳实验

第一类永动机和第二类永动机比较 它们都不可能制成,第一类永动 机的设想违反了能量守恒定律;第 二类永动机的设想虽不违反能量守 恒定律,但违背了跟热现象相联系 的宏观过程具有方向性的自然规律。

? 热力学第一定律和热力学第二定律

热力学第一定律和热力学第二定律是 构成热力学知识的理论基础,前者对自然 过程没有任何限制,只指出在任何热力学 过程中能量不会有任何增加或损失,反映 的是物体内能的变化与热量、做功的定量 关系;后者则是解决哪些过程可以自发地 发生,哪些过程必须借助于外界条件才能 进行。

例题分析:
? ? ? ? ?

[例1]根据热力学第二定律,下列判断正确的是 A. 电流的能不可能全部变为内能 B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部变为电能 C.热机中,燃气内能不可能全部变为机械能 D.在热传导中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温 度物体. [解析]根据热力学第二定律可知,凡与热现象有关的宏观过 程都具有方向性,电流的能可全部变为内能(由电流热效应 中的焦耳定律可知),而内能不可能全部变成电流的能.机 械能可全部变为内能,而内能不可能全部变成机械能,在热 传导中,热量只能自发地从高温物体传递给低温物体,而不 能自发地从低温物体传递给高温物体,所以选项B、C、D正 确.

?

例2.如图所示文艺复兴时期意大利的达〃芬奇造 了一个永动机装置。他设计时认为,右边的重球 比左边的重球离轮心更远些,在两边不均衡的作 用下会使轮子沿箭头方向转动不息 ( AC ) A.这是第一类永动机 B.这是第二类永动机 C.它不可能成功,因为违反能的转化及守恒定 律 D.它不可能成功,因为违反热力学第二定律

例3.下列说法正确的是 (AC ) A.在自然条件下,热传递的过程是不 可逆的 B.热量不可能由高温物体传递给低温 物体 C.气体的扩散过程具有方向性 D.一切形式能量转化都不具有方向性

例4.下列说法中可行的是 ( D ) ① 将地球上所有海水的温度降低0.1℃, 以放出大量内能供人类使用 ② 制造一种机器,把物体与地面摩擦所产 生的热量全部收集起来再全部加以使用 ③ 建造一只可以从海洋中提取热量的船, 把热量转化为机械能,驱动螺旋桨旋转 ④ 制造一种效率为100%的热机 A..①可行 B.①④可行 C.②④ 可行 D.①②③④都不可行

例5.根据热力学第二定律,可知下列说法中 正确的是(AD) A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部 用来做功,而不引起其它变化 B.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 起其它的变化的热机是可实现的 C.致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较 高温度的空气中而不引起其它变化 D.不可能使热量由低温物体传递到高温物 体,而不引起其他变化

例6.关于第二类永动机,下列说法中正确的 是( C) A.它既不违反热力学第一定律,也不违反 热力学第二定律 B.它既违反了热力学第一定律,也违反了 热力学第二定律 C.它不违反热力学第一定律,只违反热力 学第二定律 D.它只违反热力学第一定律,不违反热力 学第二定律

例7.根据热力学定律和分子动理论,可知下 列说法中正确的是( B ) A.我们可以利用高科技手段,将流散到周围 环境中的内能重新收集起来加以利用而不引 起其它变化 B.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制 造一种热机,将海水的一部分内能转化为机 械能,这在原理上是可行的 C.分子间的作用力总是随分子间的距离增 大而减小 D.温度升高时,物体中每个分子的运动速 率都将增大


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