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(共35張PPT)
第三章　熱力學定律
熱力學第二定律　
熵—系統(tǒng)無序程度的量度
一滴紅色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變紅。從系統(tǒng)的角度來看，擴散之前是一種狀態(tài)，擴散后是另一種狀態(tài)。那么，水中擴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？
2
掌握熱力學第二定律的兩種表述,并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制成的原因
1
知道什么是可逆過程與不可逆過程,知道熱傳遞的方向性
重點
3
了解熵的概念及熵增加原理,并能解釋生活中的有關現(xiàn)象
可逆過程與不可逆過程
熱量自發(fā)地由高溫物體向低溫物體傳遞的過程是不可逆的
可能發(fā)生這樣的逆過程嗎？
擴散現(xiàn)象進行是有方向的，過程是不可逆的。
可能發(fā)生這樣的逆過程嗎？
氣體膨脹(絕熱自由膨脹)的過程是不可逆的。
可能發(fā)生這樣的逆過程嗎？
踢出的足球在地面上運動，最終可以停在地面上，能量如何轉化？靜止的足球和地面周圍的空氣能否自發(fā)地降低溫度釋放內能，并將內能全部轉化為足球的動能讓足球又滾動起來？說明了什么？
機械能轉化為內能　不能　與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程有方向性
1.可逆過程與不可逆過程
(1)可逆過程:一個系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā),經(jīng)過某一過程到達另一狀態(tài),如果存在另一過程,它能使系統(tǒng)和外界完全復原,即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài),同時消除原來過程對外界的一切影響,則原來的過程稱為 。
(2)如果用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界完全復原,則原來的過程稱為____
。
2.熱傳遞是不可逆過程,具有 。
3.功熱轉化這一熱現(xiàn)象是不可逆的,具有 。
4.凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有 。
可逆過程
不可
逆過程
方向性
方向性
方向性
熱力學第二定律及第二類永動機
從能量轉化的角度看熱機的工作，分為兩個階段：
①燃燒燃料
工作物質把自己的內能變成機械能
燃料中的化學能變成工作物質的內能
②對外做功
從能流分配的角度看熱機工作：
從高溫熱庫吸收的熱量 Q，只有一部分用 來做功 W，轉變?yōu)闄C械能，
另一部分熱量要排放給低溫熱庫（冷凝器或大氣）。即 W ＜ Q
燃料燃燒
冷凝器或大氣
燃料產(chǎn)生的熱量Q
輸出機械功W
漏氣熱損
散熱熱損
摩擦熱損
W< Q
思考：假設能避免這些損失，熱機燃料產(chǎn)生的熱量Q=W ？
即熱機能否把內能全部轉化為機械能？
從能流分配的角度看熱機工作：
高溫熱源
吸收熱量Q1
低溫熱源
放出熱量Q2
熱機
對外做功W
根據(jù)能量守恒 Q1= Q2+W
<100%
熱機在工作過程中總有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中，
熱機不能把內能全部轉化為機械能！
思考：假設能避免這些損失，熱機燃料產(chǎn)生的熱量Q=W ？
即熱機能否把內能全部轉化為機械能？
熱機效率
(1)克勞修斯表述
不可能使熱量從 物體傳向 物體而不引起其他變化。
(2)開爾文表述
不可能從 吸取熱量,使之完全用來做功而不引起其他變化。
低溫
高溫
單一熱源
熱力學第二定律
(1)定義
從 吸取熱量并使之 轉化為功而不引起其他變化的機器。
(2)第二類永動機不可能制成
第二類永動機并不違背熱力學 ,但違背了熱力學 。
(3)熱力學第二定律的又一表述
第二類永動機是 實現(xiàn)的。
單一熱源
完全
第一定律
第二定律
不可能
第二類永動機
第一種“不引起其他變化”是指使熱量從低溫物體轉移到高溫物體時,外界不需要做功;第二種“不引起其他變化”是指唯一效果是熱量全部轉變?yōu)楣?而外界及系統(tǒng)都不發(fā)生任何變化。
1.如何解釋熱力學第二定律的兩種表述中的“不引起其他變化”
不正確。克勞修斯表述是說熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。如果外界做了一定的功,把熱量從低溫物體傳向高溫物體是完全可能的,如電冰箱和空調機的制冷過程。
2.(1)“熱量不可能從低溫物體傳向高溫物體”這種理解正確嗎
不正確。開爾文表述表明在不引起其他變化或不產(chǎn)生其他影響的條件下,吸收的熱量不能完全用來對外做功,如理想氣體的等溫自由膨脹過程,系統(tǒng)內能不變,吸收的熱量全部對外做功,但卻引起了體積的膨脹。
(2)“功可以完全轉化為熱,但熱不能完全轉化為功”這種理解正確嗎
不是,熱量從低溫熱源傳到高溫熱源時需要有外界做功。
3.如圖是制冷系統(tǒng)和熱機的工作原理示意圖,通過圖思考以下問題。
(1)制冷系統(tǒng)工作時熱量是自發(fā)地從低溫熱源傳到高溫熱源嗎
不能,熱機工作時只能將從高溫熱源吸收熱量的一部分用來做功,剩余的部分釋放到低溫熱源。
(2)熱機工作時能否將從高溫熱源吸收的熱量全部用于做功
1.(多選)根據(jù)熱力學第二定律可知,下列說法中正確的是
A.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
B.沒有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功,
而不引起其他變化的熱機是可以實現(xiàn)的
C.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
D.如果沒有摩擦、漏氣等,熱機效率可以達到100%
√
√
2.(多選)(2023·云南省開遠市第一中學高二期末)地球上有很多的海水,它的總質量約為1.4×1018 t,如果這些海水的溫度降低0.1 ℃,將要放出5.8×1023 J的熱量。有人曾設想利用海水放出的熱量,使它完全變成機械能來解決能源危機,但這種機器是不能制成的,關于其原因,下列說法正確的是
A.內能不能轉化成機械能
B.內能轉化成機械能不滿足熱力學第一定律
C.只從單一熱源吸收熱量并完全轉化成機械能的機械不滿足熱力學第二定律
D.機械能可全部轉化為內能,內能不可能全部轉化為機械能,同時不引起其他變化
√
√
3.(多選)如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時,強迫制冷劑在冰箱內、外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量,經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化,放出熱量到箱體外。
下列說法正確的是
A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內傳到冰箱外
B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內
的熱量傳到外界,是因為其消耗了電能
C.電冰箱的工作原理不違背熱力學第二定律
D.電冰箱的工作原理違背熱力學第二定律
√
√
1.一切物理過程均遵循能量守恒定律,但遵循能量守恒定律的物理過程不一定均能實現(xiàn)。
2.熱力學第二定律的兩種表述分別對應著一種“不可能”,但都有一個前提條件“自發(fā)地”或“不產(chǎn)生其他影響”,如果去掉這種前提條件,就都是有可能的。例如電冰箱的作用就是使熱量從低溫物體傳到高溫物體,等溫膨脹就是從單一熱源吸收熱量,使之完全用來做功,但不是自發(fā)地或是產(chǎn)生了其他影響。
熵
覆水難收
君不見黃河之水天上來
奔流到海不復回
成語“覆水難收”指一盆水被潑出后不可能再回到盆中,請結合熵的變化解釋為什么水不會自發(fā)地聚到盆中。
成語“覆水難收”指一盆水被潑出后不可能再回到盆中,請結合熵的變化解釋為什么水不會自發(fā)地聚到盆中。
由于盆的形狀確定,水在盆中時,空間位置和所占據(jù)的空間的體積一定,顯得“有序”“整齊”和“集中”,系統(tǒng)的熵低。當把水潑出后,它的形狀不再受盆的限制,各種可能的形狀都有,占據(jù)的空間面積和所處的位置都有多種可能,顯得“混亂”“分散”,較為“無序”,系統(tǒng)的熵高。水潑出的過程屬于從有序向無序的轉化過程,導致熵的增加,符合熵增加原理。反之,水聚到盆中過程,屬于從無序向有序轉化,即從高熵向低熵轉化,不符合熵增加原理,因此水不能自發(fā)地聚到盆中。
1.有序與無序
(1)生活中符合某種規(guī)則的現(xiàn)象稱為 ,反之稱為 。規(guī)則越多,一個宏觀狀態(tài)對應的微觀狀態(tài)越少,出現(xiàn)的概率越小,我們稱之為越有序。反之規(guī)則越少,一個宏觀狀態(tài)對應的微觀狀態(tài)就越多,出現(xiàn)的概率也越大,我們稱之為越無序。
(2)熱力學第二定律的微觀本質:與熱現(xiàn)象有關的自然發(fā)生的宏觀過程總是沿著大量分子熱運動無序程度 的方向進行。
有序
無序
增大
2.熵和熵增加原理
(1)熵的定義
用來量度系統(tǒng) 的物理量叫作熵。
(2)熵增加原理
在孤立系統(tǒng)中的宏觀過程必然朝著 的方向進行。
3.熵與能量退降
在熵增加的同時,一切不可逆過程總是使得能量從可利用狀態(tài)轉化為不可利用狀態(tài), 退化了,這種現(xiàn)象稱為能量退降。
無序程度
熵增加
能量品質
4.下列關于熵的說法錯誤的是
A.熵是物體內分子運動無序程度的量度
B.在孤立系統(tǒng)中,一個自發(fā)的過程熵總是向減少的方向進行
C.熱力學第二定律的微觀實質是熵是增加的
D.熵值越大,代表系統(tǒng)分子運動越無序
√
熱力學第一定律和
熱力學第二定律的比較
兩定律的比較
熱力學第一定律 熱力學第二定律
區(qū) 別 是能量守恒定律在熱力學中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性 是關于在有限空間和時間內，一切和熱現(xiàn)象有關的物理過程、化學過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結
聯(lián) 系 兩定律分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關的物理過程所遵循的規(guī)律，二者既相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎
第二類永動機和第一類永動機的區(qū)別是什么？它為什么不能實現(xiàn)？
兩類永動機的比較
第一類永動機 第二類永動機
設計要求 不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很少的能量啟動后，可以永遠運動下去) 將內能全部轉化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱庫，實現(xiàn)內能向機械能的轉化)
不可能制成的原因 違背了能量守恒定律 違背了熱力學第二定律
5.關于兩類永動機和熱力學兩大定律,下列說法正確的是
A.第二類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第一定律
B.第一類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第二定律
C.由熱力學第一定律可知做功不一定改變內能,傳熱也不一定改變內能,但
同時做功和傳熱一定會改變內能
D.由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的,從單一
熱庫吸收熱量,完全變成功也是可能的
√
6.(2020·全國卷Ⅱ)下列關于能量轉換過程的敘述,違背熱力學第一定律的有　　,不違背熱力學第一定律、但違背熱力學第二定律的有　 。(填正確答案標號)
A.汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱
B.冷水倒入保溫杯后,冷水和杯子的溫度都變得更低
C.某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功,而不產(chǎn)生其他
影響
D.冰箱的制冷機工作時從箱內低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內
B
C
可逆過程與不可逆過程
熵增加原理
熵
永動機
定義：量度系統(tǒng)無序程度
克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體
開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響
第一類永動機違背能量守恒定律
第二類永動機違背熱力學第二
定律
熱力學第二定律及
第二類永動機
熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較
熱熵—
力系
學統(tǒng)
第無
二序
定程
律度
的
量
度　

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