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第三章 熱力學(xué)定律
第3節(jié) 熱力學(xué)第二定律
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。
2.掌握熱力學(xué)第二定律的兩種表述,并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動機不能制成的原因。
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？
思考與討論：
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，一個導(dǎo)致能量創(chuàng)生或能量消失的過程是不可能出現(xiàn)的。
1.符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發(fā)地進行嗎？
2.你是否可以舉例證明你的觀點？
融化的冰糕，是否可以在同溫下是否可以重新凝固？
撒了氣的氣球，是否可以自發(fā)的把散掉的氣體重新收集起來？
無數(shù)事實告訴我們，自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程不可能自動地逆向進行。要使它們逆向進行，就必須由外界對它們施加影響。
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(fù)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，則原來的過程稱為可逆過程。
知識點一：可逆過程與不可逆過程
2.不可逆過程：如果用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則原來的過程稱為不可逆過程
覆水難收、破鏡難圓。水從高山流到河谷，不可能自動地流回高處；一滴墨水滴入一杯清水，最終會均勻地擴散開來，不可能再自動地凝成一滴墨水。
熱量可自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體，或者由物體的高溫部分傳給低溫部分。但是，從未發(fā)現(xiàn)過熱量自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體，或由物體的低溫部分傳給高溫部分，盡管這樣的過程并不違背熱力學(xué)第一定律。
熱傳遞是不可逆過程，具有方向性。
在焦耳的葉輪攪水實驗中，重物可自動下落，使葉輪在水中轉(zhuǎn)動，與水相互摩擦使水溫上升，這是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。與此相反的過程，即水溫自動降低，產(chǎn)生水流，推動葉輪轉(zhuǎn)動，帶動重物上升的過程是不可能發(fā)生的，盡管這樣的過程不違背熱力學(xué)第一定律。
功熱轉(zhuǎn)化這一熱現(xiàn)象是不可逆的，具有方向性。
熱傳遞是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移過程
功熱轉(zhuǎn)化是內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程
過程不可逆
凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性。
在物理學(xué)中，反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。
克勞修斯
不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。
1.克勞修斯表述：
這一表述闡述了熱量傳遞的方向性，并不是熱量不能從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，只是熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。
表述中的“不引起其他變化”是指外界不需要做功。如果外界做了一定的功，把熱量從低溫物體傳到高溫物體是完全可能的。
知識點二：熱力學(xué)第二定律及第二類永動機
電冰箱通過電流做功，把熱量從冰箱內(nèi)溫度較低的冷凍室、冷藏室傳到冰箱外溫度較高的空氣中，但這一過程要消耗電能，即引起了“其他變化”。
電冰箱和空調(diào)機的制冷過程
第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能；
第二個階段是工作物質(zhì)對外做功，把自己的內(nèi)能變成機械能。
熱機工作的兩個階段：
2.熱機：
熱機是消耗內(nèi)能對外做功的一種裝置。
從高溫?zé)嵩次盏臒崃?，一部分用來對外做功，另一部分傳給低溫?zé)嵩?br/>熱機對外做的功W < Q（從高溫?zé)嵩次盏臒崃浚?br/>物理學(xué)中，把熱機對外做的功跟它從高溫?zé)嵩次盏臒崃康谋戎捣Q為熱機的效率，用η表示，即由此可見，熱機的效率
在對熱機的特點進行分析后，開爾文提出了熱力學(xué)第二定律的另一種表述
熱機對外做的功W < Q（從高溫?zé)嵩次盏臒崃浚?br/>3.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述：
不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全用來做功而不引起其他變化。
“單一熱源”：
是指溫度恒定而均勻的熱源
“不引起其他變化”：
是指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而外界及系統(tǒng)都不發(fā)生任何變化。
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(diào)機的制冷過程。
思考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(nèi)能不變,吸收的熱量全部對外做功,但卻引起了體積的膨脹。
思考2：“功可以完全轉(zhuǎn)化為熱,但熱不能完全轉(zhuǎn)化為功”這種理解正確嗎
歷史上曾有人夢想制造一種機器，它可直接從海洋或大氣中吸取熱量，使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。他們認為，海洋和大氣的熱量是取之不盡的，因而這種機器可永不停息地運轉(zhuǎn)做功。
4.第二類永動機：這種從單一熱源吸取熱量并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其他變化的機器稱為第二類永動機
第二類永動機工作原理設(shè)想示意圖
第二類永動機雖然不違背熱力學(xué)第一定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，也是不可能實現(xiàn)的。
熱力學(xué)第二定律也可以表述為：第二類永動機是不可能實現(xiàn)的。
1.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷不正確的是（ ）
A.電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能
B.在火力發(fā)電機中，燃氣的內(nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔?br/>C.熱機中，燃氣內(nèi)能不可能全部變?yōu)闄C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度物體
A
2.下列說法中正確的是（　　）
A.熱量能自發(fā)地由高溫物體傳到低溫物體
B.熱量能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體
C.熱量一定不可能由低溫物體傳到高溫物體
D.空調(diào)機既能制熱又能制冷，說明熱傳遞不存在方向性
A
3.關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列論述正確的是（?。?br/>A.熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的
B.內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會產(chǎn)生其他影響，故兩條定律并不矛盾
C.兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì)區(qū)別
D.其實，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律
B
4.(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(nèi)、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(nèi)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(nèi)傳到冰箱外
B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)
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(xué)第二定律
D.電冰箱的工作原理違背熱力學(xué)第二定律
BC
熱力學(xué)第二定律
熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述
熱力學(xué)第二定律開爾文表述
第二類永動機不可能實現(xiàn)
可逆過程與不可逆過程

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