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第十章热力学定律第4节热力学第二定律


第十章

热力学定律

第4节

热力学第二定律

学习目标

1.通过自然界中热传导的方向性等实例, 初步了解热力学第二定律,知道热力学第二定 律的两种不同表述及实质,能运用热力学第二 定律解释自然界中的能量转化、转移以及方 向性问题; 2.了解什么是第二类永动机,能用热力学

第二定律解释第二类永动机不能制成的原因。

复习回顾
一、热力学第一定律
1.内容:一个热力学系统的内能增量等于外界 向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 2.表达式:ΔU=Q+W 3.W、Q、ΔU正负号的确定:
做功W 热量Q 内能的变化ΔU 取正值 “ + ” 外 界 对 系 系 统 从 外 界 系统的内能增加 统做功 吸收热量 取负值“-” 系 统 对 外 系 统 向 外 界 系统的内能减少 界做功 放出热量

复习回顾
4.判断是否做功的方法:一般情况下外界对物体做功 与否,需看物体的体积是否变化。 (1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0; (2)若物体体积变小,表明外界对物体做功,W>0。

二、能量守恒定律
内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能 从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到别 的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。

三、永动机不可能制成
第一类永动机:人们把设想中的不消耗能量的机器 叫做第一类永动机.

引入新课
有人提出这样一种设想,发明一种热机,用它 把物体与地面摩擦所产生的热量都吸收过来并对 物体做功,将内能全部转化为动能,使因摩擦停止 运动的物体在地面上重新运动起来,而不引起其他 变化。这是一个非常诱人的设想,并且这种设想也 不违背能量守恒定律,如果真能造出这样的热 机,“能源问题”也就解决了。同学们想一下,这 样的热机能制成吗?为什么?

思考与讨论

想一想
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。 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 ,海 水的比热容为C=4.2×103J/(kg· ℃) ,如果这些海水 的温度降低0.1℃,将要放出多少焦耳的热量? 能放出5.8×1023 J的能量,这相当于1800万个 功率为100万千瓦的核电站一年的发电量,为什么 人们不去研究这种新能源呢?

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一、热传导的方向性

1.温度不同的两个物体接触时,热量会自发地 从高温物体传给低温物体,但不会自发地从低温物 体传给高温物体,这说明热传导的过程具有方向性。 2.无数事实告诉我们,一切与热现象有关的宏 观自然过程都是不可逆的。 注意:“自发地”是指没有任何外界影响或 者其他帮助!

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二、热力学第二定律
1.定义:在物理学中,反映宏观自然过程的方 向性的定律就是热力学第二定律。 2.表述 (1)克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物 体传到高温物体。(该表述阐述的是热传递的方向 性) (2)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。(该表述阐 述的是机械能与内能转化的方向性)

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因为电冰箱消耗 了电能,对制冷系统 思考:空调和电冰箱工作时 ,热量都是从低温 做了功,一旦切断电 物体传递给高温物体的,它们违反热力学第二定律 源,电冰箱就不能把 吗? 不违反!因为这不是自发的过程 ,这个过程必 其内部的热量传给外 须有第三者的介入,即必须开动空调、电冰箱的压 界的空气了。相反, 缩机消耗电能才能进行。 外界的热量会自发地 传给电冰箱,使其温 度逐渐升高。

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3.对热力学第二定律的理解: (1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的 自然过程。 (2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力 学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生 热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。 4.热力学第二定律的实质:热力学第二定律 的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的 方向性,进而使人们认识到自然界中进行的涉及热 现象的宏观过程都具有方向性。

课堂练习
【例题1】如图所示,汽缸内盛有一定 质量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境 保持恒温,活塞与汽缸壁接触光滑,但不漏气, 现将活塞杆缓慢地向右移动,气体膨胀对外 做功。已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法中 C 正确的是( ) A.气体是从单一热库吸热,全用来对外做功,因此此过程违 反热力学第二定律 B.气体是从单一热库吸热,但并未全用来对外做功,因此此 过程不违反热力学第二定律 C.气体是从单一热库吸热,全部用来对外做功,但此过程不 违反热力学第二定律 D.以上三种说法都不正确

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一辆汽车在水平地面上滑行,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。

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降温

我们能不能看到这样的现象:一辆 汽车靠降低温度,可以把内能自发地 转化为动能,使汽车运动起来...

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有人提出这样一种设想,发明一种 热机,用它把物体与地面摩擦所生的热 量都吸收过来并对物体做功,将内能全 部转化为动能,使因摩擦停止运动的物 体在地面上重新运动起来,而不引起其 它变化,可行吗

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三、热机和第二类永动机
1.热机:把内能转化为机械能的一种装置 (1)热机工作的两个阶段: 第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的化学能变 成工作物质的内能; 第二个阶段是工作物质对外做功,把自己的内 能变成机械能。 (2)热机的效率:热机输出的机械功W与燃料 燃烧产生的热量Q的比值叫作热机的效率,用公式 可表述为: W ?? Q

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2.热机的工作原理: 工作物质从热源吸收热量Q1,推动活塞做功W, 然后排出废气,同时把热量Q2散发到冷凝器中。 根据能量守恒有:Q1=W+Q2 3.热机的效率:热机输出的机械功W与燃料燃 烧产生的热量Q的比值叫作热机的效率,用η表示, 有: W ?? Q1
因为Q1=W+Q2,所以Q1>W,η<1。 这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为 机械能,总有一部分要散失到冷凝器中。

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4.说明:①热机必须有热源和冷凝器。 ②热机不能把它得到的全部内能转 化为机械能。 ③因热机工作时,总要向冷凝器散

热,
不可避免地要释放一部分热量Q2, 所以总有Q1>W。 结论:热机的效率不可能达到100%(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地转化为机械能,总 要有一部分热量散发到冷凝器中)

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5.第二类永动机: (1)定义:只从单一热库吸收热量,并使之完全 变成有用功而不产生其他影响的热机。 (2)第二类永动机不可制成的原因:违背了热 力学第二定律。 (3)热力学第二定律还可表述为:第二类永动 机不可能制成。

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6.两类永动机的比较
分类 第一类永动机 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) 不消耗任何能量, 可以不断做功(或 设计要求 只给予很小的能量 启动后,可以永远 运动下去)

不可能的 违背了能量守恒定 违背了热力学第二定 原因 律 律

课堂练习
【例题2】第二类永动机不可能制成的原因是( D ) A.违背了能量守恒定律 B.热量总是从高温物体传递到低温物体 C.机械能不能全部转化为内能 D.内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化

补充
宇宙中存在着温度的下限:-273.150C。 以这个下限为起点的温度叫热力学温度,用 T表示,单位是开尔文,符号是K。

氢弹爆炸中心 实验室已获得的最高温度 太阳中心 地球中心

108K 6×107K 1.5×107K 4×103K

乙炔火焰 金的凝固点
锡的凝固点 月球的向阳面 地球上出现的最高温度 地球上出现的最低温度 月球的背阴面 氮的沸点 氦的沸点

2.9×103K 1337.33K
505. 078K 4×102K 331K 185K 90K 77K 4.2K

星际空间 实验室已获得的最低温度

2.7K 2.4×10-11K

补充
热力学第三定律:热力学零度(绝对零 度)不可能达到。
尽管热力学零度不可能达到,但是只要 温度不是绝对零度就总有可能降低,因此, 热力学第三定律不阻止人们想尽办法尽可能 地接近绝对零度。


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