高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律教学课件ppt

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1.知道热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。具有方向性的过程是不可逆的。2.理解热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成的原因。3.学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题。
一、热力学第二定律1.热力学第二定律的克劳修斯表述。(1)热传导的方向性。①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。②热传导过程是有　方向性　的。热量不能自发地由低温物体传给高温物体。 (2)热力学第二定律的克劳修斯表述。热量不能　自发地　从低温物体传到高温物体。 
(2)热力学第二定律的开尔文表达。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。 
微探究 河水只能从高处流向低处,不会自动地从低处流向高处。成语“覆水难收”指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中的。下落的石头也不会把内能自动转化为动能,使自己重新飞上去。(1)这些现象说明什么道理?(2)能否使这些现象逆向进行?(3)传热的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”?
提示:(1)这些现象说明自然界的宏观过程不可能自动地逆向进行。(2)可以使这些现象逆向进行,但不是自发地,必须有第三者的介入。(3)传热的方向性是指“热量不能自发地从低温物体传到高温物体”,在有第三者介入时,热量会从低温物体传给高温物体。传热的方向性不能简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”。
二、能源是有限的1.能量耗散:能量在数量上虽然守恒,但其转移和转化却具有　方向性　。我们使用的能源最后都转化成了内能,能源消耗使得周围环境升温,根据热力学第二定律,这些能量再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。 2.能源:指具有高品质的容易利用的储能物质,例如石油、天然气、煤等。
3.能源的使用:能源的使用过程中虽然总量保持守恒,但能量的　品质　下降了。虽然能量总量不会减少,但能源会逐步减少,因此能源是有限的资源。 微思考 能量耗散的说法与能量守恒定律是互相矛盾的吗?提示:不矛盾。能量耗散的过程中能量向品质低的内能转变,但是总的能量是守恒的,能量不能凭空产生,也不能凭空消失,但有方向性,所以能量耗散与能量守恒不矛盾。
重难归纳1.在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不可能”“不产生其他影响”的含义如下。(1)“自发地”:指热量从高温物体传给低温物体的方向性。在传递过程中不需要借助其他物体提供能量。
一 对热力学第二定律的理解
(2)“不可能”:热机或制冷机系统工作时,除了从单一热库吸收热量对外做功,以及热量从低温热库传到高温热库以外,过程所产生的其他一切影响,不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。(3)“不产生其他影响”: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。
2.热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文表述的对比。
3.热力学第二定律与热力学第一定律的比较。
1821年,德国物理学家塞贝克发现了一种怪现象:把两根铜丝和一根铁丝与灵敏电流计串联成闭合电路,然后把铜丝与铁丝的一个连接点放在盛有冰水混合物的容器里保持低温,另一个连接点放在火焰上加热,升到很高的温度时,发现灵敏电流计的指针发生了偏转,表明闭合电路中产生了电流,这就是温差发电现象。这一实验是否违反热力学第二定律?简述这一过程中能的转化情况。
提示:不违反,内能不可能全部转化为电能,而不产生其他影响;产生的电能是由被火焰加热的金属丝的内能转化而来,其内能一部分转化为电能,一部分传递给冰水混合物。
典例剖析下列说法正确的是(　　)A.热力学第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性B.电流流过导体,电能转化为内能,反过来,可将内能收集起来,再转化成同样多的电能而不产生其他影响C.可以做成一种热机,由热源吸取一定的热量而对外做功D.冰可以熔化成水,水也可以结成冰,这个现象违背了热力学第二定律答案:C
解析:热力学第二定律说明了一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的,但并没有否定以特殊方式利用能量的可能性,故选项A错误;功和内能的转化具有方向性,其逆过程是不可能自发实现的,故选项B错误;只要不要求吸收的热量全部用来做功而不产生其他影响,可以做成一种热机,由热源吸取一定热量而对外做功,故选项C正确;冰熔化成水,水结成冰,伴随着能量的转移,不是自发进行的,没有违背热力学第二定律,故选项D错误。
规律方法 利用热力学第二定律解题三要点 1.明确热力学第二定律的两种表述是等效的。其实质是自然界中进行的所有涉及热现象的宏观物理过程都具有方向性。 2.特别注意“不产生其他影响”和“产生其他影响”。热量可以从低温物体传到高温物体,但要产生其他影响。 3.热机的效率总是小于1,因为它总要向低温热库散热。
学以致用(多选)根据热力学第二定律,下列说法正确的是(　　)A.热机中燃料燃烧产生的热量不可能全部变成机械能B.电能不可能全部转化成内能C.在火力发电机中,燃料燃烧产生的热量不可能全部转化成电能D.在热传递中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体答案:ACD
解析:凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化,热机的效率不可能达到100%,故热机中燃料燃烧产生的热量不能全部转化为机械能,故选项A正确;火力发电机发电时,能量转化的过程为内能→机械能→电能,因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量,故燃料燃烧产生的热量必然不能全部转化为电能,故选项C正确;热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行,必须借助外界的帮助,结果会带来其他影响,这正是热力学第二定律的克劳修斯表述的主要思想,故选项D正确。
重难归纳1.热机。(1)热机:热机是把内能转化成机械能的一种装置。如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能;内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。
二 热机与第二类永动机的分析
2.第二类永动机。(1)第二类永动机:只从单一热库吸收热量,使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。(2)第二类永动机不可能制成。这类机器虽然不违背能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的,热机工作时从高温热库吸收的热量Q,只有一部分用来做功W,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温热库。也就是说,热机在工作过程中必然排出部分热量,热机用于做功的热量仅是它从高温热库吸收热量的一部分,绝不会是全部,所以第二类永动机是不可能制成的。
从上面的分析可知,即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失,也总有W0,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q>0,所以其内能增大,故选项D错误。
3.下列说法正确的是(　　)A.热量不能从低温物体传到高温物体B.第二类永动机不能制成,因为违背能量守恒定律C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的,故无法把膨胀后的气体恢复到原来的体积D.即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失,热机的效率也不会是100%答案:D
解析:热量可以自发地从高温物体传到低温物体,在外力做功的情况下,热量可以从低温物体传到高温物体上,故选项A错误;第二类永动机不能制成,因为违背热力学第二定律,但没有违背能量守恒定律,故选项B错误;气体向真空的自由膨胀是不可逆的,但通过外力作用,可以把膨胀后的气体恢复到原来的体积,故选项C错误;由热力学第二定律可知,即使没有摩擦、漏气和不必要的散热等损失,热机的效率也不能达到100%,故选项D正确。
4.(多选)根据热力学定律,下列说法正确的是(　　)A.科技的进步可以使内燃机成为单一热库的热机B.空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量少于向室外放出的热量C.电冰箱的工作过程表明,热量可以从低温物体向高温物体传递D.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少,形成能源危机答案:BC
解析:不可能从单一热库吸热全部用来对外做功而不引起其他变化,选项A错误;空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量少于向室外放出的热量,因为电能也部分转化为热能,选项B正确;热量可以从低温物体向高温物体传递,但要引起其他变化,选项C正确;对能源的过度消耗将形成能源危机,但自然界的总能量守恒,选项D错误。
5.关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是(　　)A.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,热传递也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一热库吸收热量,完全变成功也是可能的答案:D