4 热力学第二定律1.通过自然界中热传导的方向性等实例,初步了解热力学第二定律,知道热力学第二定律的两种不同表述及实质,能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。2.了解什么是第二类永动机,能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因。一二一、热传导的方向性1.温度不同的两个物体接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,但不会自发地从低温物体传给高温物体,这说明热传导的过程具有方向性。2.无数事实告诉我们,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。三一二三结合电冰箱的工作情况想一下,热传导的方向性是否说明“热量不能从低温物体传给高温物体”?提示:不能,这是因为热量能从低温物体传向高温物体,只不过不能自发进行,而是需要外界帮助。一二三二、热力学第二定律1.定义:在物理学中,反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。2.表述(1)克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(该表述阐述的是传热的方向性)(2)开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。(该表述阐述的是机械能与内能转化的方向性)(3)其他表述:对任何一类宏观自然过程进行方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述。例如,热力学第二定律也可以表述为气体向真空的自由膨胀是不可逆的。一二三一二三2.第二类永动机(1)定义:只从单一热库吸收热量,并使之完全变成有用功而不产生其他影响的热机。(2)第二类永动机不可能制成的原因:违背了热力学第二定律。一二三如果随着科技的不断发展,能够使热机没有漏气,没有摩擦,也没有机体热量损失,是不是能使热机的效率达到100%?提示:不能,这是因为由热力学第二定律可知热机的工作物质吸收的热量不能完全用来对外做功。一、对热力学第二定律的理解1.对热力学第二定律表述的理解在热力学第二定律的表述中,正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程,如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程,它不受外界干扰。在热传递过程中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体,却不能自发地从低温物体传向高温物体。要将热量从低温物体传向高温物体,必须有“对外界的影响或有外界的帮助”,就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例,它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”到高温处的。(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。2.热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。3.对热力学第二定律的两种表述等价性的证明两种表述是等价的,即一个说法是正确的,另一个说法也必然是正确的;如一个说法是错误的,另一个说法必然是不成立的。下面给出证明:设表述(1)不成立,如图所示,低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2。温馨提示热力学第二定律的提出具有如下意义:(1)揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(或自然界中实际的宏观过程)都具有方向性。(2)说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的,即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性。二、热力学第一定律与热力学第二定律的比较1.关于摩擦生热热力学第一定律中,滑动摩擦力做功可以全部转化为热。热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全变成功。2.关于热量的传递热力学第一定律说明,热量可以从高温物体自动传向低温物体,而热力学第二定律却说明热量不能自动地从低温物体传向高温物体。3.关于能量热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒,热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现,能量转化有方向性。4.两个定律的关系热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式,说明功及热量与内能改变的定量关系,而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向,指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆,除非靠外界影响。所以二者相互独立,又相互补充。温馨提示看一种热机
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方案是否可行,不仅要看是否遵守能量守恒定律,还要看是否满足热力学第二定律。类型一类型二类型一类型二A.气体是从单一热库吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律B.气体是从单一热库吸热,但并未全用来对外做功,因此此过程不违反热力学第二定律C.气体是从单一热库吸热,全部用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律D.以上三种说法都不正确类型一类型二点拨:熟记热力学第二定律的两种表述并准确理解其含义是正确处理此类问题的关键。解析:由于气体始终通过汽缸壁与外界接触,外界温度不变,活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中,有足够时间进行热交换,所以汽缸内的气体温度也不变。要保持其内能不变,该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量,即全部用来对外做功才能保证内能不变,但此过程并不违反热力学第二定律。这是因为此过程需要外力对活塞做功来维持,如果没有外力F对活塞做功,此过程不可能自发进行。答案:C类型一类型二题后反思根据热力学第二定律的两种表述可知,热量可以从低温物体传向高温物体,内能也可以全部转化为机械能,但要引起其他变化或需借助外界的帮助。类型一类型二触类旁通本题中“活塞杆缓慢地向右移动,气体膨胀对外做功”能自发进行吗?答案:不能。类型一类型二热力学第一定律与热力学第二定律的比较【例2】关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确的是( )A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定律是相互矛盾的B.内能可以全部转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故两条定律并不矛盾C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律类型一类型二点拨:准确透彻地理解热力学第一定律和热力学第二定律的几种表达方式是解答本题的关键。解析:热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系,是能量守恒定律在热学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性,二者表述的角度不同,本质不同,相互补充,并不矛盾,故选项C、D错误,选项B正确;内能在一定条件下可以全部转化为机械能,热量也可以由低温物体传递到高温物体,但是要引起其他变化,如电冰箱制冷机工作还要消耗电能,故选项A错误。答案:B类型一类型二题后反思热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性,并不违背能量守恒定律,热力学第一定律揭示了能量守恒定律中的内能变化的方式。
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