資源簡介

(共25張PPT)
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？
新課導(dǎo)入
第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律
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。
符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發(fā)地進(jìn)行嗎？
物體間的熱傳遞有特定的方向性：
只能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，或從物體的高溫部分傳遞到物體的低溫部分。
學(xué)習(xí)任務(wù)一
學(xué)習(xí)任務(wù)一　熱力學(xué)第二定律
1850年，德國物理學(xué)家克勞修斯(R.Clausius，1822-1888)將熱力學(xué)第二定律表述為：
高溫?zé)釒霻1
低溫?zé)釒霻2
Q1
Q2
做功
制冷機(jī)
W
1、熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.（即：不可能制造這樣一臺機(jī)器，在一個循環(huán)動作后，只是將熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化）
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/>2、制冷機(jī)工作原理
Q1=Q2+W
熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述
克勞修斯表述的說明：
熱力學(xué)第二定律是用否定語句表述的（絕大多數(shù)物理定律都是用肯定語句表述的），它告訴我們什么樣的過程不可能發(fā)生。
⑴這里闡述的是熱傳遞的方向性。
⑵“自發(fā)”二字的意義：
當(dāng)兩個物體接觸時，不需要任何第三者的介入、不會對任何第三者產(chǎn)生任何影響，熱量就能從一個物體傳向另一個物體。
⑶克勞修斯表述也相當(dāng)于：
如果一臺制冷機(jī)，制冷系數(shù)為： ，W為外界對機(jī)器做的功，Q2為從低溫物體吸收的熱量。
不可能造成這樣一臺制冷機(jī)器，W→0，ε→∝，該機(jī)器在一個循環(huán)動作完成后，外界沒有變化，唯一的結(jié)果是把Q2從低溫物體傳送到高溫物體。
當(dāng)兩個溫度不同的物體接觸時，這個“自發(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體的。
電冰箱通電后箱內(nèi)溫度低于箱外溫度，并且還會繼續(xù)降溫，直至達(dá)到設(shè)定的溫度。顯然這是熱量從低溫物體傳遞到了高溫物體。這一現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律呢？
電冰箱工作時熱量的確從低溫物體——冰箱內(nèi)的食品，傳到了高溫物體——冰箱外的空氣。但是這不是自發(fā)的過程，這個過程必須有第三者的介入，即壓縮機(jī)消耗電能，對制冷系統(tǒng)做了功
一旦切斷電源，冰箱的壓縮機(jī)就停止工作，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了。自發(fā)的過程是熱量從冰箱外的高溫空氣傳向冰箱內(nèi)的低溫食品，使其溫度逐漸升高。
思考與討論
1851，英國物理學(xué)家開爾文將熱力學(xué)第二定律表述為：
1、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述： 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。（即：不可能制造這樣一臺機(jī)器，在一個循環(huán)動作后，只是從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?，而不引起其他變化?br/>2、熱機(jī)工作原理
高溫?zé)釒霻1
低溫?zé)釒霻2
Q1
Q2
對外做功
熱機(jī)
W
Q1：從高溫?zé)釒煳盏臒崃?br/>W：對外界所做的功
Q2：向低溫?zé)釒焐l(fā)的熱量
Q1=Q2+W
熱機(jī)的效率小于100%，就不可能把從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為機(jī)械能，總有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。
熱力學(xué)第二定律的開爾文表述
⑴這里闡述的是機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。
⑵“不可能從單一熱庫吸收熱量”的意義：
不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。
機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
如果一臺熱機(jī)，效率為： ，熱機(jī)從熱源吸取的熱量Q1全部變成功W，即Q2＝0，該機(jī)器唯一的結(jié)果就是從單一熱源吸取熱量全部變成功而不產(chǎn)生其它影響。此時熱機(jī)的效率η＝1(100%)， η＝1的熱機(jī)稱為第二類永動機(jī)。
⑶克勞修斯表述也可以改為：
第二類永動機(jī)是不可能制造成功的。
開爾文表述的說明：
學(xué)習(xí)任務(wù)一
例1 (多選)[2023·南寧二中月考] 根據(jù)熱力學(xué)定律,下列說法正確的是(　 )
A.電冰箱的工作表明,熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞
B.空調(diào)機(jī)在制冷過程中,從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量
C.科技的不斷進(jìn)步使得人類有可能生產(chǎn)出從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化的熱機(jī)
D.即使沒有漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失,熱機(jī)也不可以把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能
ABD
學(xué)習(xí)任務(wù)一
[解析]熱量可以在外界做功的情況下從低溫物體向高溫物體傳遞,但不能自發(fā)進(jìn)行,故A正確;
空調(diào)機(jī)在制冷過程中,從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量,故B正確;
不可能從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化,故C錯誤;
根據(jù)熱力學(xué)第二定律,即使沒有漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失,熱機(jī)也不可以把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,故D正確.
學(xué)習(xí)任務(wù)一
【要點總結(jié)】
1.對熱力學(xué)第二定律的理解
(1) “自發(fā)地”過程就是在不受外界干擾的條件下進(jìn)行的自然過程.
(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(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.
(3)熱力學(xué)第二定律的兩種表述分別對應(yīng)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庫吸收熱量,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.
2.熱力學(xué)第二定律的實質(zhì):熱力學(xué)第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性,進(jìn)而使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.
學(xué)習(xí)任務(wù)二　熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的比較和應(yīng)用
學(xué)習(xí)任務(wù)二
[物理觀念]
(1)兩定律的比較
熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律
區(qū)別 是能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn),否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性,從而否定了第一類永動機(jī) 是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi),一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié),從而否定了第二類永動機(jī)
聯(lián)系 兩定律分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律,二者既相互獨立,又相互補(bǔ)充,都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ) 學(xué)習(xí)任務(wù)二
[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]地球上有大量的海水,它的總質(zhì)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,這相當(dāng)于1800萬個功率為100萬千瓦的核電站一年的發(fā)電量,這么巨大的能量,人們卻不去開發(fā)研究是因為這種利用海水的內(nèi)能發(fā)電的過程,違背了　　　 　　　,不會研究成功.
熱力學(xué)第二定律
學(xué)習(xí)任務(wù)二
例2 [2020·全國卷Ⅱ] 下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)換過程的敘述,違背熱力學(xué)第一定律的有　　　　,不違背熱力學(xué)第一定律、但違背熱力學(xué)第二定律的有　　　　.(填正確答案標(biāo)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(jī)工作時將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功,而不產(chǎn)生其他影響
D.冰箱的制冷機(jī)工作時從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)
　C
B
學(xué)習(xí)任務(wù)二
[解析] A中汽油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱機(jī)的機(jī)械能和內(nèi)能,符合熱力學(xué)第一定律.
B中冷水倒入保溫杯,若冷水和杯子的溫度都降低,內(nèi)能都變小,無其他力做功,能量消失,違背了熱力學(xué)第一定律.
C中熱機(jī)工作時,從高溫?zé)嵩次盏臒崃坎豢赡苋哭D(zhuǎn)化為功,效率不可能達(dá)到100%,違背了熱力學(xué)第二定律.
D中冰箱可以通過做功從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi),不違背熱力學(xué)第二定律.
學(xué)習(xí)任務(wù)二
變式1 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)能量轉(zhuǎn)化的規(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
[解析]熱力學(xué)第一定律是能量守恒在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn),而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能和其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化的方向性,兩者并不矛盾,選項A、C、D錯誤,B正確.
學(xué)習(xí)任務(wù)二
【要點總結(jié)】
熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是構(gòu)成熱力學(xué)知識的理論基礎(chǔ),分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律,二者相互獨立,又相互補(bǔ)充.
(1)熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的一種表述形式,對自然過程沒有任何限制,是從能的角度揭示不同物質(zhì)運(yùn)動形式相互轉(zhuǎn)化的可能性.告誡人們:第一類永動機(jī)不可能制成.
(2)熱力學(xué)第二定律揭示了有關(guān)熱的物理過程都具有方向性,明確哪些過程可以自發(fā)地進(jìn)行,哪些過程必須借助于外界條件才能進(jìn)行.告誡人們:第二類永動機(jī)不可能制成.
學(xué)習(xí)任務(wù)三　能源是有限的
學(xué)習(xí)任務(wù)三
[教材鏈接]閱讀教材“能源是有限的”相關(guān)內(nèi)容,完成下列填空:
(1)能源:具有　　　　　的容易利用的儲能物質(zhì).
(2)能量耗散:使用的能源轉(zhuǎn)化成　　　　分散在環(huán)境中,不能自動聚集起來驅(qū)動機(jī)器做功,這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作能量耗散.
(3)能源的使用過程中雖然能的總量保持不變,但能量的　　　　下降了,　　　　減少了.
能源
高品質(zhì)　
內(nèi)能
品質(zhì)
學(xué)習(xí)任務(wù)三
例3 關(guān)于能量和能源,下列說法正確的是 (　)
A.在能源利用的過程中,能量在數(shù)量上并未減少
B.由于自然界中總的能量守恒,所以不需要節(jié)約能源
C.能量耗散說明能量在轉(zhuǎn)化過程中不斷減少
D.人類在不斷地開發(fā)和利用新能源,所以能量可以被創(chuàng)造
A
[解析] 根據(jù)能量守恒定律可知,在能源使用過程中,能量在數(shù)量上并未減少,A正確,C錯誤;
雖然總能量不會減少,但是由于能量的品質(zhì)降低,無法再利用,故還需要節(jié)約能源,B錯誤;
根據(jù)能量守恒定律可知,能量不會被創(chuàng)造,也不會消失,D錯誤.
學(xué)習(xí)任務(wù)三
【要點總結(jié)】
能量與能源的區(qū)別
(1)自然界中的能量是守恒的,既不會增加也不會減少.
(2)能量耗散是能量從高品質(zhì)能源向低品質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的過程.
(3)能量總量不變,但能量品質(zhì)會下降即能源減少,故我們要節(jié)約能源.
素養(yǎng)提升
熵與熵增加原理
熵用來描述一個系統(tǒng)的無序程度.根據(jù)熵的含義,熱力學(xué)系統(tǒng)處于非平衡態(tài)時的分子熱運(yùn)動有一定的有序性,因此,其熵值較小;當(dāng)其達(dá)到平衡態(tài)后,其分子熱運(yùn)動的無序性達(dá)到極高程度,其熵值達(dá)到最大值.
從微觀角度看,熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律:對于不與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的一個孤立熱力學(xué)系統(tǒng)而言,所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程,因此,總是朝著熵增加的方向進(jìn)行,或者說,一個孤立系統(tǒng)總的熵值總是不減少的,這就是熵增加原理,也就是熱力學(xué)第二定律的另一種表述形式.
熵增加原理的適用對象是孤立系統(tǒng),如果是非孤立系統(tǒng),熵有可能減少.
素養(yǎng)提升
示例　[2023·杭州四中期末] 下面關(guān)于熵的說法錯誤的是 (　)
A.熵是物體內(nèi)分子運(yùn)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(jìn)行
C.熱力學(xué)第二定律的微觀實質(zhì)是熵是增加的
D.熵值越大,代表系統(tǒng)分子運(yùn)動越無序
B
[解析] 熵是分子運(yùn)動無序程度的量度,熵越大,分子運(yùn)動無序程度越大,故A、D正確;
孤立系統(tǒng)中發(fā)生的任何實際過程,其能量的總值保持不變,而其熵值是增加的,故B錯誤,C正確.
課堂小結(jié)
課后習(xí)題
1.汽車行駛時，要消耗汽油。盡量詳盡地說明：汽油燃燒時釋放的化學(xué)能通過哪些途徑最終轉(zhuǎn)化成了周圍環(huán)境的內(nèi)能。
1.汽油燃燒時釋放的化學(xué)能推動活塞做功過程中，主要通過三個途徑將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能：一是活塞與缸體間有摩擦，摩擦力做負(fù)功，產(chǎn)生熱量，缸體溫度升高，內(nèi)能增加，向周圍空間散熱；二是活塞壓縮缸內(nèi)氣體做功，缸內(nèi)氣體溫度升高，帶動缸體溫度升高，由于與周圍環(huán)境的熱交換轉(zhuǎn)化為環(huán)境的內(nèi)能；三是排氣沖程中噴出的熱氣也會帶走一部分熱量。
課后習(xí)題
2.以下哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生、哪些不能發(fā)生？能夠發(fā)生的現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律？
（1）一杯熱茶自然放置，茶會自動變得更熱。
（2）蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。
（3）桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離。
（4）電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體。
2.(1)(2)不能發(fā)生，(3)(4)能夠發(fā)生；不違背
提示：(1)不可能。熱茶溫度比周圍環(huán)境溫度高，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。
(2)不可能。蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必定需要做功，即熱蒸汽推動活塞做功，這一過程
中，一方面由于活塞摩擦汽缸而產(chǎn)生內(nèi)能，另一方面熱蒸汽與周圍環(huán)境有溫度差，蒸汽機(jī)會向周圍環(huán)境散熱。所以，蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是不可能的。
(3)可能?；鞚岬哪嗨o置一段時間后，由于泥沙比水的密度大，泥沙會自動下沉，從而使得上面的渾水變清了。此過程不違背熱力學(xué)第二定律，泥沙的重心降低，重力勢能減少了，水的重心升高，水的重力勢能增加了，但系統(tǒng)總的重力勢能減少了，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而機(jī)械能百分百地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是可能的。
(4)可能。電冰箱通電后，電冰箱內(nèi)的壓縮機(jī)工作，消耗電能，將熱量由箱內(nèi)低溫物體傳遞到箱外高溫物體。沒有違背熱力學(xué)第二定律，因為它是通過消耗了電能從而引起其他變化的。
課后習(xí)題
3.一間密閉的房間里放置了一臺電冰箱，為了使房間降溫，有人出了一個主意，建議把冰箱接通電源，打開冰箱門，讓冰箱的“冷氣”進(jìn)入房間中，房間就變冷了。這種方法可行嗎 請說明道理。
3.不可行。因為電冰箱的壓縮機(jī)工作后，消耗電能，才能將冰箱內(nèi)空氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)移到冰箱外部，從而使冰箱內(nèi)部的溫度降低。冰箱內(nèi)部減少的內(nèi)能都轉(zhuǎn)移到冰箱外部的環(huán)境中去了。打開冰箱門后，室內(nèi)空氣的內(nèi)能只是被冰箱吸收后又被放出，所以室溫不會降低。反而，壓縮機(jī)工作時，會將一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故室內(nèi)溫度會有少許升高。

展開更多......

收起↑