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第三章 熱力學(xué)定律
粵教版 選擇性必修三
第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律
新課導(dǎo)入
一滴紅色顏料滴進(jìn)一杯清水中擴(kuò)散，整杯水將均勻地變紅。從系統(tǒng)的角度來看，擴(kuò)散之前是一種狀態(tài)，擴(kuò)散后是另一種狀態(tài)。
那么，水中擴(kuò)散后的顏料能否自發(fā)地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？
在整個(gè)自然界中，無論是他有生命的還是無生命的，所有的宏觀自發(fā)過程都具有單向性，都有一定的方向性，都是一種不可逆過程。
如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蝕，人的一生從嬰兒到老年到死亡等。
想一想：大家是否發(fā)現(xiàn)一些事件的發(fā)展過程具有方向性、不可逆性
覆水難收
水往低處流
能量守恒定律告訴我們，在自然界發(fā)生的一切過程中能量都是守恒的，一個(gè)導(dǎo)致能量創(chuàng)生或能量消失的過程是不可能出現(xiàn)的。
符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發(fā)地進(jìn)行嗎？
Part 01
擴(kuò)散的方向性
二氧化氮和空氣
紅墨水和水
只能自發(fā)地由密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域擴(kuò)散。
兩種不同的氣體可以自發(fā)地混合，最后成為一種均勻的混合氣體．
相反，一種均勻的混合氣體卻不會自發(fā)地分開成為兩種氣體．當(dāng)然，使用物理或化學(xué)方法可以把混合氣體分開，但這必然會產(chǎn)生其他影響
一、擴(kuò)散的方向性：
如圖所示是兩個(gè)相同的容器，容器A中裝有氣體，容器B是真空，打開閥門K，容器A中的氣體會自發(fā)向容器B擴(kuò)散，最后兩個(gè)容器都充滿壓強(qiáng)相等的氣體，這個(gè)過程被稱為自由膨脹。
外界做功
自由膨脹
自發(fā)
抽氣機(jī)
Part 02
熱傳導(dǎo)的方向性
物體間的熱傳遞有特定的方向性：
熱量從高溫物體向低溫物體的熱傳導(dǎo)過程是自發(fā)進(jìn)行的。
反過來，要使熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，則必須借助外界的作用．
克勞修斯的表述：
熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體。或者說，不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化。
二、熱傳導(dǎo)的方向性：
Q1：向高溫?zé)釒旆懦龅臒崃?br/>W：外界所做的功
Q2：從低溫?zé)釒煳盏臒崃?br/>Q1=Q2+W
“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響.如吸熱、放熱、做功等。
壓縮機(jī)會消耗電能，對冷卻系統(tǒng)做功
低溫
冰箱內(nèi)的食品
高溫
冰箱外的空氣
自發(fā)
外界做功
向壓縮機(jī)供電
停止供電
Part 03
機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性
機(jī) 內(nèi)：可自動進(jìn)行(如摩擦生熱)
內(nèi) 機(jī)：不可自動進(jìn)行
(靜止物體不可能自行降溫而運(yùn)動起來)
三、機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性：
機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程也是有方向性的．
機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，
內(nèi)能卻無法全部用來做功以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不產(chǎn)生其他影響
開爾文的表述：
不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。
三、機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性
Q1
Q2
W
Q1=Q2+W
“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響.如吸熱、放熱、做功等。
熱機(jī)
燃料在燃燒（高溫物體）
冷凝器或大氣（低溫物體）
熱機(jī)在工作過程中必然排出部分熱量，熱機(jī)用于做功的熱量一定小于它從高溫?zé)嵩次盏臒崃浚?br/>W< Q
Q1
Q2
W
熱機(jī)
柴油機(jī)
汽缸
燃料的化學(xué)能
工作物質(zhì)的內(nèi)能
機(jī)械能
對外做功
燃燒
燃料產(chǎn)生的熱量Q
輸出機(jī)械功W
漏氣熱損
散熱熱損
摩擦熱損
W< Q
第二類永動機(jī)：
開爾文的表述：
不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。
三、機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性
從單一熱源吸收熱量并全部用來做功，把它得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，熱機(jī)效率達(dá)到100％的熱機(jī)
第二類永動機(jī)不可能制成!
Q1
Q2
W
1、克勞修斯的表述
熱力學(xué)第二定律
熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體。
或者說，不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化。
2、開爾文的表述
不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。
實(shí)質(zhì)：按熱傳遞的方向性來表述
實(shí)質(zhì)：按機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向來表述
與熱力學(xué)第一定律的關(guān)系
熱力學(xué)第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程中能量守恒的特殊表達(dá)形式，說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系，而第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實(shí)現(xiàn)的條件和過程進(jìn)行的方向，指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響.所以二者相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充.
兩類永動機(jī)
第一類永動機(jī)
第二類永動機(jī)
不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功的機(jī)器
從單一熱源吸收熱量并全部用來做功，把得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，熱機(jī)效率達(dá)到100％的熱機(jī)
違背了熱力學(xué)第一定律
違背了熱力學(xué)第二定律(開爾文表述)
熱力學(xué)第二定律的開爾文表述和克勞修斯表述是等價(jià)的
Q1──熱機(jī)從T1吸熱
A ──熱機(jī)輸出功
Q2──熱機(jī)從T2吸熱Q1+Q2──致冷機(jī)向T1放熱
證明：用反證法（假設(shè)開爾文表述不成立）
假設(shè)：熱機(jī)從高溫?zé)嵩碩1 吸收熱量Q1 ，全部變成有用功A而不產(chǎn)生其它影響。
用這部熱機(jī)做的功A去驅(qū)動另一部制冷機(jī)，它從低溫?zé)嵩碩2吸收熱量Q2 ，在高溫?zé)嵩捶懦鯝 + Q2 ＝ Q1 +Q2，于是兩部機(jī)器合起來，總的效果等于一部機(jī)器，它從低溫?zé)嵩碩2吸收熱量Q2 ，在高溫?zé)嵩捶懦鯭2 ，此外沒有其它變化，這是違反克勞修斯表述。
等效
熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價(jià)的
證明：用反證法（克勞修斯表述不成立）
假設(shè)：熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，因而可以設(shè)計(jì)一卡諾熱機(jī)，工作于這兩個(gè)熱源之間，從高溫?zé)嵩碩1 吸收熱量Q1 ，向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2 ，同時(shí)對外做功A ；我們使Q2自動傳到高溫?zé)嵩础＝?jīng)過一個(gè)循環(huán)后，總的效果是從高溫?zé)嵩碩1吸取熱量Q1 －｜Q2｜，低溫?zé)嵩礌顟B(tài)不變。這相當(dāng)于是從單一熱源吸取熱量對外做功的機(jī)器，因而違了開爾文表述。
等效
T2──低溫?zé)嵩?br/>Q2──熱量通過假想裝置自動地從T2傳向T1
Q1──卡諾熱機(jī)從T1吸熱
A ──卡諾熱機(jī)對外作功
Part 04
熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用
例1：有人設(shè)想如圖所示的裝置(假設(shè)活塞與缸壁無摩擦)，并提出“理想氣體可從單一熱源吸熱并進(jìn)行等溫膨脹，從而實(shí)現(xiàn)百分之百對外做功”。這引發(fā)了同學(xué)們的爭論:有同學(xué)認(rèn)為是可能實(shí)現(xiàn)的，有的同學(xué)則認(rèn)為不可能。你贊同哪一種觀點(diǎn) 為什么
五、熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用
根據(jù)氣體實(shí)驗(yàn)定律，如果氣體進(jìn)行等溫膨脹，即氣體溫度不變，體積增大，則氣體壓強(qiáng)應(yīng)減小，而從圖中可知，該氣體壓強(qiáng)是恒定的。顯然該氣體是不可能進(jìn)行等溫膨脹的。
事實(shí)上，該過程是一個(gè)等壓膨脹的過程，氣體壓強(qiáng)不變，體積增大，溫度升高，內(nèi)能增大，氣體吸收的熱量不可能百分之百對外做功。
例2：目前，市場上有一種叫“空氣能熱水器”的產(chǎn)品受到了大家的熱捧，空氣能熱水器通過空氣中的熱量來揭高水溫，其消耗的電能僅僅壓縮機(jī)用來搬運(yùn)空氣所用的能量，據(jù)說其“熱效率可達(dá)300%以上"。"熱效率可達(dá)300%以上”的說法是否屬實(shí)？
五、熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用
Q1
Q2
W
答：熱機(jī)從高溫?zé)嵩次諢崃浚徊糠钟脕碜龉Γ徊糠窒虻蜏責(zé)嵩捶懦鰺崃浚敲磸淖龉π实慕嵌葋碇v，做功的部分小于吸收熱量的部分，也就是內(nèi)能沒辦法全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，也就是熱機(jī)效率小于100%。
例3：下列說法正確的是(　　)
A.第二類永動機(jī)違背了能量守恒定律
B.第二類永動機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律
C.根據(jù)能量守恒定律，經(jīng)過不斷的技術(shù)改造，熱機(jī)的效率有可能達(dá)到100%
D.電冰箱和空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩矗`背了熱力學(xué)第二定律
解析：第二類永動機(jī)沒有違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，A錯(cuò)誤，B正確；熱機(jī)的效率永遠(yuǎn)小于100%，因?yàn)橐虻蜏責(zé)嵩瓷幔珻錯(cuò)誤；電冰箱和空調(diào)機(jī)工作時(shí)，是通過壓縮機(jī)做功，來實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩吹礁邷責(zé)嵩吹膫鬟f，所以并沒有違背熱力學(xué)第二定律，D錯(cuò)誤。
例4.(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是(　　 )
A.電能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能
B.在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔?br/>C.熱機(jī)中，燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能
D.在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體
解析：根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，電能可全部變?yōu)閮?nèi)能(由焦耳定律可知)，而內(nèi)能不可能全部變成電能，而不產(chǎn)生其他影響。機(jī)械能可全部變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部變成機(jī)械能.在熱傳導(dǎo)中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體。
課堂小結(jié)
熱傳遞具有方向性
熱力學(xué)第二定律克勞修斯的表述：不可能使熱量
由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化。
內(nèi)能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化過程具有方向性
熱力學(xué)第二定律開爾文的表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。
熱力學(xué)第二定律：兩種表述是等價(jià)的。
熱力學(xué)第二定律

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