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第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律
教學(xué)課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 熱力學(xué)定律
高中物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊(cè)
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養(yǎng)目標(biāo)
新課講解
新課導(dǎo)入
經(jīng)典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習(xí)
課堂小結(jié)
1.知道什么是可逆過(guò)程與不可逆過(guò)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(dòng)機(jī)不能制成的原因。
素養(yǎng)目標(biāo)
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(lái)看，擴(kuò)散之前是一種狀態(tài)，擴(kuò)散后是另一種狀態(tài)。
覆水難收、破鏡難圓。水從高山流到河谷，不可能自動(dòng)地流回高處；一滴墨水滴入一杯清水，最終會(huì)均勻地?cái)U(kuò)散開(kāi)來(lái)，不可能再自動(dòng)地凝成一滴墨水。
新課講解
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(lái)？
融化的冰糕，是否可以在同溫下是否可以重新凝固？
新課講解
New lesson explanation
新課講解
一、可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程
一杯開(kāi)水放在空氣中，溫度會(huì)逐漸降低，最后與室溫相同。
但如果要讓己冷卻的水溫度升高，就必須給它加熱，消耗外界的能量。
自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程不可能自動(dòng)地逆向進(jìn)行。要使它們逆向進(jìn)行，就必須由外界對(duì)它們施加影響。
眾多現(xiàn)象表明：
新課講解
1.可逆過(guò)程：一個(gè)系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)某一過(guò)程到達(dá)另一狀態(tài)，如果存在另一過(guò)程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，即系統(tǒng)回到原來(lái)的狀態(tài)，同時(shí)消除原來(lái)過(guò)程對(duì)外界的一切影響，則原來(lái)的過(guò)程稱為可逆過(guò)程。
2.不可逆過(guò)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(lái)的過(guò)程稱為不可逆過(guò)程
新課講解
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(guò)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(guò)程并不違背熱力學(xué)第一定律。
熱傳遞是不可逆過(guò)程，具有方向性。
新課講解
轉(zhuǎn)動(dòng)著的飛輪在撤除動(dòng)力后，會(huì)因摩擦而逐漸停下來(lái)。在這一過(guò)程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，軸和飛輪的溫度升高。而相反的過(guò)程（即軸和飛輪自動(dòng)地冷卻，內(nèi)能重新轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而使飛輪轉(zhuǎn)起來(lái)）卻不會(huì)發(fā)生，盡管它并不違背熱力學(xué)第一定律。
新課講解
在焦耳的葉輪攪水實(shí)驗(yàn)中，重物可自動(dòng)下落，使葉輪在水中轉(zhuǎn)動(dòng)，與水相互摩擦使水溫上升，這是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)程。與此相反的過(guò)程，即水溫自動(dòng)降低，產(chǎn)生水流，推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)重物上升的過(guò)程是不可能發(fā)生的，盡管這樣的過(guò)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。
新課講解
思考：滿足能量守恒定律的過(guò)程是否都能實(shí)現(xiàn)呢
無(wú)數(shù)事實(shí)告訴我們，凡是實(shí)際的過(guò)程，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的。
物體間的傳熱
氣體的膨脹
擴(kuò)散現(xiàn)象
有摩擦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)
熱現(xiàn)象
特定的方向
溫度由高到低
體積由小到大
密度由密到疏
由機(jī)械能到內(nèi)能
反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。
新課講解
二、熱力學(xué)第二定律及第二類永動(dòng)機(jī)
為了闡明自然過(guò)程發(fā)生的方向，在大量研究的基礎(chǔ)上，克勞修斯和開(kāi)爾文分別提出了熱力學(xué)第二定律的兩種表述：
克勞修斯
1.克勞修斯表述：
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。
新課講解
（1）這一表述闡述了物體間傳熱過(guò)程的方向性，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。
（2）自發(fā)性：
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。
自發(fā)
外界做功
外界環(huán)境發(fā)生變化
低溫
高溫
不需要第三者介入、也不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生影響
新課講解
電冰箱通過(guò)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(guò)程要消耗電能，即引起了“其他變化”
冰箱制冷工作原理
新課講解
2.熱機(jī)
熱機(jī)是消耗內(nèi)能對(duì)外做功的一種裝置。
熱機(jī)必須工作在兩個(gè)溫度不同的熱源之間，通過(guò)工作物質(zhì)，將從高溫?zé)嵩次盏臒崃浚徊糠钟脕?lái)對(duì)外做功，另一部分傳給低溫?zé)嵩础?br/>例如，汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火力發(fā)電站和核能發(fā)電站的蒸汽輪機(jī)等都是熱機(jī)。
新課講解
研究表明:
熱機(jī)必須工作在兩個(gè)溫度不同的熱源之間，通過(guò)工作物質(zhì)，將從高溫?zé)嵩次盏臒崃浚徊糠钟脕?lái)對(duì)外做功，另一部分傳給低溫?zé)嵩础Ｈ鐖D所示。熱機(jī)工作時(shí)，向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃客耆珦p耗掉了，而損耗的熱量不可能再自動(dòng)地收集起來(lái)。因此，熱機(jī)對(duì)外做的功W總是小于其從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌.物理學(xué)中，把熱機(jī)對(duì)外做的功跟它從高溫?zé)嵩次盏臒崃康谋戎捣Q為熱機(jī)的效率，用η表示，即由此可見(jiàn)，熱機(jī)的效率
新課講解
3.熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述：
不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全用來(lái)做功而不引起其他變化。
指溫度恒定而均勻的熱源
指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化。
這一表述闡述了功熱轉(zhuǎn)化的方向性。事實(shí)上，不是熱不能完全轉(zhuǎn)化為功，而是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(lái)對(duì)外做功。
理想氣體經(jīng)等溫膨脹過(guò)程，系統(tǒng)內(nèi)能不變，系統(tǒng)吸收的熱量全部對(duì)外做功，但引起了其他變化，即系統(tǒng)的體積膨脹了。
新課講解
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(jī)器稱為第二類永動(dòng)機(jī)。
第二類永動(dòng)機(jī)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，也不可能實(shí)現(xiàn)的。所以，熱力學(xué)第二定律也可以表述為：第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。
歷史上曾有人夢(mèng)想制造一種機(jī)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(jī)械功。他們認(rèn)為，海洋和大氣的熱量是取之不盡的，因而這種機(jī)器可永不停息地運(yùn)轉(zhuǎn)做功。
第二類永動(dòng)機(jī)工作原理設(shè)想示意圖
新課講解
經(jīng)典例題
Classic Example
經(jīng)典例題
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(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度物體
A
經(jīng)典例題
2.下列說(shuō)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(jī)既能制熱又能制冷，說(shuō)明熱傳遞不存在方向性
A
經(jīng)典例題
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（　）
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(huì)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(méi)有本質(zhì)區(qū)別
D.其實(shí)，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
課堂練習(xí)
Classroom Practice
課堂練習(xí)
1.能量觀是物理學(xué)基本觀念之一，下列各組物理規(guī)律都是能量守恒定律的特殊表現(xiàn)的是( )
A.閉合電路的歐姆定律、楞次定律
B.牛頓第二定律、熱力學(xué)第二定律
C.光電效應(yīng)方程、電阻定律
D.機(jī)械能守恒定律、動(dòng)量守恒定律
課堂練習(xí)
1.答案：A
解析：閉合電路的歐姆定律、楞次定律、光電效應(yīng)方程、機(jī)械能守恒定律都是能量守恒定律的特殊表現(xiàn)。
故選A。
課堂練習(xí)
2.人類不但掌握了精準(zhǔn)測(cè)溫控溫的方法，還可以人工產(chǎn)生高熱和深冷，在高熱和深冷的“世界”里不斷發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)奇跡，下列關(guān)于熱力學(xué)定律的說(shuō)法正確的是( )
A.外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能必定增加
B.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的
C.所有符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能自發(fā)的進(jìn)行
D.可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌绊?br/>課堂練習(xí)
2.答案：B
解析：A.外界對(duì)物體做功，若同時(shí)物體放出熱量，物體的內(nèi)能可能減小，故A錯(cuò)誤；
BC.根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然過(guò)程都是不可逆的，比如機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，即符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程不一定能自發(fā)的進(jìn)行，故B正確，C錯(cuò)誤；
D.根據(jù)熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述，不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響，故D錯(cuò)誤。
故選B。
課堂練習(xí)
3.下列說(shuō)法正確的是( )
A.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的
B.做功和熱傳遞都可以改變內(nèi)能，二者本質(zhì)相同
C.第二類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律，是不可能實(shí)現(xiàn)的
D.一定質(zhì)量的理想氣體，等壓膨脹的過(guò)程中，向外界放出熱量
課堂練習(xí)
課堂練習(xí)
4.一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開(kāi)始，第一次經(jīng)等溫變化到狀態(tài)b；第二次先經(jīng)等壓變化到狀態(tài)c，再經(jīng)等容變化到狀態(tài)b。則( )
A.a→b過(guò)程，氣體向外界放熱
B.a→c過(guò)程，氣體內(nèi)能增大
C.熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體
D.氣體在狀態(tài)c時(shí)比在狀態(tài)b時(shí)單位時(shí)間內(nèi)撞
擊在單位面積上的分子數(shù)多
課堂練習(xí)
課堂小結(jié)
Class Summary
課堂小結(jié)
熱力學(xué)第二定律
4.第二類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)
1.可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程
功熱轉(zhuǎn)化這一熱現(xiàn)象是不可逆的，具有方向性。
3.熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述：
不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全用來(lái)做功而不引起其他變化。
2.克勞修斯表述：
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。
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