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高二物理选修3-3


高中物理选修3-3

第十章《热力学定律》

热力学第一定律告诉我们:
在一切热力学过程中能量必须守恒。

问题
满足能量守恒的过程是否都能实现呢?

思考与讨论: P57 一 .自然过程的方向 结论1. 热量自动地由高温物体向低温物体传递的过 程是不可逆的。 结论:无数事实告

诉我们:凡是实际的过 结论2. 程,只要涉及热现象,如热传递、气体的 扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。

膨胀、扩散、有摩擦的机械运动??都有 结论3. 特定方向。也就是说,一切与热现象有关 功可以自动转化为热,但热却不能自动转化 的宏观自然过程都是不可逆的。 为功。通过摩擦而使功转变为热的过程是不
可逆的。 结论4. 气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。

二.热力学第二定律
(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.
与之相应的经验事实是,当两个不同温 度的物体相互接触时,热量将由高温物体向低 温物体传递,而不可能自发地由低温物体传到 高温物体。如果借助制冷机,当然可以把热量 由低温传递到高温,但要以外界作功为代价, 也就是引起了其他变化。 克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。

电冰箱工作时违反热力学第二定律吗?

电冰箱的内部温 度比外部温度低,为 什么致冷系统还能不 断地把箱内热量传给 外界的空气?

大气

电冰箱制 冷系统

因为电冰箱消耗了电 能,对制冷系统做了功, 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.

贮藏的 食品

? 热传导的过程是有方向性的,这 个过程可以向一个方向自发地进 行,但是向相反的方向却不能自 发地进行。 ? 要实现相反方向的过程,必须借 助外界的帮助,因而产生其它影 响或引起其它变化。

机械能与内能转化的方向性的进一步讨论
①热机:是一种把内能转化为机械能的装置。(汽油机、柴油机、 蒸汽轮机、喷气发动机等) ②原理:燃料燃烧产生热量 Q1(高温热源)——燃料中化学能 转化为工作物质的内能。 推动活塞对外做功 W——工作物质内能变成机械能 排出废气向外界(低温热源)放热 Q2 热机能流图
漏气热损 散热热损 摩擦热损

燃料产生 的热量Q

输出机 械功W

机械能与内能转化的方向性的进一步讨论
③热机工作时的能流分配

④效率:由能量守恒定律知道

Q1 = W +Q2

热机的效率

W ?? Q1

高温热库 Q1 热机 Q2 低温热库 W 对外做功

热机的效率小于 100%,就不可能 把从高温热源吸 收的热量全部转 化为机械能,总 有一部分热量散 发到冷凝器或大 气中。

二.热力学第二定律
(2)开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量, 使之完全变成有用的功而不产生其他影响。 例如,利用热机循环,吸热可对外作出功来.但实 际热机的循环除了热变功外,还必定有一定的热量 从高温热源传给低温热源,即产生了其它效果 热全部变为功的过程也是有的,如,理想气体 等温膨胀。但在这一过程中除了气体从单一热源吸 热完全变为功外,还引起了其它变化,即过程结束 时,气体的体积增大了。

开尔文表述揭示机械能与内能转化方向 性——机械能可以全部转化为内能,而内能无 法全部用来做功以转换成机械能

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(即热量不会 自发地从低温物体传到高温物体)。 不可能从单一热源吸取热 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)

对热力学第二定律的理解
?1.两种表述是等价的. 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 ?2.对任何一类宏观过程进行方向的说明,都可 以作为热力学第二定律的表述。 ?3.热力学第二定律的意义 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.

第二类永动机
?任何物体都具有内能,在地球上贮存量十分 丰富的海水总质量约达1.4×1018吨,它的温度 只要降低1℃,就能释放相当于1800万个功率 为100万千瓦的核电站一年的发电量,足够全 世界使用4000年。而人类都不能利用这种 “新能源”,其原因是什么? ?是因为涉及物理学的一个基本定律——热力 学第二定律.

第二类永动机
? 1.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。 ? 2.第二类永动机不可能制成!表示机械能和内能的 热力学第二定律的另一种表述就 转化过程具有方向性.尽管机械能可以全部转化为 内能,内能却不能全部转化成机械能,同时不引起 是:第二类永动机不可能制成。 其他变化. ? 3.第一类永动机和第二类永动机 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自然过程 具有方向性的规律(热力学第二定律)。

小结 :

?热力学第二定律有常见的两种 表述,提示了有大量分子参与 的宏观过程(即与热现象有关的 宏观过程)的方向性,第二类永 动机不可能制成。

例1.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2.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3.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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