資源簡介

(共23張PPT)
3.4熱力學第二定律
學習目標：
1.[物理觀念]知道傳熱、擴散現象、機械能與內能的轉化具有方向性，了解能量耗散和品質降低的內容，能解釋相關現象。　
2.[科學思維]理解熱力學第二定律的兩種表述，學會用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移及方向性問題，提高分析推理能力。　
3.[科學探究]通過對熱機效率的探討，揭示熱機效率不能達到100%的實質，學會與他人交流合作，提高探索科學的能力。　
4.[科學態度與責任]學會科學家探索問題的方法，實事求是的科學態度，培養學習科學的興趣。
一滴紅色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變紅。從系統的角度來看，擴散之前是一種狀態，擴散后是另一種狀態。那么，水中擴散后的顏料能否自發地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水
問題導入
熱機：是一種把內能轉化為機械能的裝置。
(汽油機、柴油機、蒸汽輪機、噴氣發動機等）
一、機械能與內能轉化的方向性
柴
油
機
四
沖
程
①吸氣沖程
②壓縮沖程
③做功沖程
④排氣沖程
機械能與內能轉化的方向性
熱機工作原理和過程：
一階段：
二階段：推動活塞對外做功 W—（工作物質內能變成機械能）。
機械能與內能轉化的方向性
燃料產生的熱量Q
輸出機械功W
漏氣熱損
散熱熱損
摩擦熱損
熱機能流圖
熱機工作時的能流分配
熱機的效率小于100%，就不可能把從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為機械能，總有一部分熱量散發到冷凝器或大氣中。
熱轉換為功的過程也是不可逆的，具有方向性。
對外做功
機械能與內能轉化的方向性
熱機
高溫熱庫
W
低溫熱庫
1．熱力學第二定律的克勞修斯表述：
熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。
二、熱力學第二定律
（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日）
（1）在不引起其它的變化的條件下，熱量不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體。
（2）熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，但會引起其它變化，比如冷機做功。
說明：
開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。
開爾文表述揭示機械能與內能轉化方向性
機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能。
熱力學第二定律的另一種表述
例如，利用熱機循環，吸熱可對外作出功來。但實際熱機的循環除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫熱源傳給低溫熱源，即產生了其它效果。
熱全部變為功的過程也是有的，如，理想氣體等溫膨脹。但在這一過程中除了氣體從單一熱源吸熱完全變為功外，還引起了其它變化，即過程結束時，氣體的體積增大了。
開爾文表述：
不可能從單一熱庫吸取熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。
如何理解單一熱庫？
單一熱庫指溫度均勻并且恒定不變的系統。
若一系統各部分溫度不相同或者溫度不穩定，則構成機器的工作物質可以在
不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功。
據報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發電。
熱力學第二定律的另一種表述
開爾文表述：
不可從能單一熱庫吸取熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。
如何理解其他影響？
指除了從單一熱庫吸收的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響
或除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到相同的熱量外，其他一切影響和變化。
不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功，而是這樣做的結果，一定伴隨著其他變化或影響。同樣，也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產生其他影響的自動熱傳遞是不可能的。
熱力學第二定律的另一種表述
開爾文表述：
不可能從單一熱庫吸取熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。
適用條件：只能適用于由很大數目分子構成的系統及有限范圍內的宏觀過
程，而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴展到無限的宇宙。
熱力學第二定律的另一種表述
開爾文表述：
不可能從單一熱庫吸取熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。
如何理解“不可能”？
實際上熱機或制冷機系統循環終了時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，
以及熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫以外，過程所產生的其他一切影響，不
論用任何曲折復雜的辦法都不可能加以消除。
熱力學第二定律的另一種表述
熱力學第二定律的兩種表述之間有什么樣的關系？
克勞修斯表述：不可能將熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化（即熱量不會自發地從低溫物體傳到高溫物體）。
開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量并使它完全變為有用的功而不引起其它變化。
熱力學第二定律的反思
熱力學第二定律的兩種表述之間有什么樣的關系？
①兩種表述是等價的
可以從一種表述導出另一種表述，兩種表述都稱為熱力學第二定律。
②對任何一類宏觀過程進行方向的說明，都可以作為熱力學第二定律的表述。例如：氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。
熱力學第二定律的反思
熱力學第二定律的意義？
提示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，是獨立于熱力學第一定律的一個重要自然規律。
不管如何表述，熱力學第二定律的實質在于揭示了：一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。
熱力學第二定律的意義
三、能源是有限的
自然界的一切變化，人類社會的所有活動，都伴隨著能量的轉移和轉化，能量是一切物質運動的源泉，是一切生命活動的基礎。
柴薪時期
煤炭時期
石油時期
能量被其他物質吸收之后變成周圍環境的內能，我們無法把這些內能收集起來重新利用。這種現象叫做能量的耗散。
化學能→電能
電能→內能和光能
能量在數量上雖然守恒，但其轉移和轉化卻具有方向性。
→耗散在環境中
高品質：機械能、光能、化學能、電能
低品質：內能
轉化方向不可逆
能源：
其實是指具有高品質的容易利用的儲能物質
例如石油、天然氣、煤等。
所以要節約資源
課堂練習
例1：下列說法正確的是（ ）
A.熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體
B.外界對物體做功，物體的內能必定增加
C.熱機的效率可以達到100%
D.不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響
D
課堂練習
例2：電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內部傳給溫度較高的外界空氣，這說明了（ ）
A.熱量能自發地從低溫物體傳給高溫物體
B.在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體
C.熱量的傳遞過程不具有方向性
D.在自發的條件下熱量的傳遞過程具有方向性
BD
課堂練習
例3：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。在蒸發器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量，經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. 熱量可以自發地從冰箱內傳到冰箱外B. 電冰箱的制冷系統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一定律D. 電冰箱的工作原理違背熱力學第一定律
BC
課堂小結
一、熱傳導的方向性：
熱機：把內能轉化為機械能的裝置
高溫物體
低溫物體
熱量
二、熱力學第二定律的兩種表述
1、克勞修斯表述：
2、開爾文表述：
3、第二類永動機

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