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物理:10.4《热力学第二定律》PPT课件(新人教版选修3-3)


高中物理新人教版 选修3- 3系列课件

第十章《 第十章《热力学定律 》

10.4《热力学第二定律》

教学目标
? ? ? ? ? ? ? 知识与技能 1.了解热传递过程的方向性。 2.知道热力学第二定律的两种不同的表述,以及这两 种表述的物理实质。 3.知道什么是第二类永动机,为什么第二类永动机不

可能制成。 过程与方法 1.热力学第二定律的表述方式与其他物理定律的表述 方式有一个显著不同,它是用否定语句表述的。 2.热力学第二定律的表述不只一种,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,学习本节时注意这一方法。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

情感、 情感、态度与价值观 通过学习热力学第二定律,可以使学生明白热机的效 率不会达到100%,我们只能想办法尽量提高热机的效 率,但不能渴求达到100%。 自然界发生的一切过程中的能量都是守恒的,但不违 背能量守恒定律的宏观过程并都能发生。 重点、难点分析】 【重点、难点分析】: 重点:热力学第二定律两种常见的表述。 难点: 难点:1.热力学第二定律的开尔文表述。 2.自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向 性。 课时安排】 【课时安排】: 1课时 教具准备】 【教具准备】: 教师:多媒体课件,一个电冰箱模型,一盆凉水,准 备一个酒精灯和一个铁块,铁钳。 学生:课前预习课文,在家观察自家的电冰箱。

问题提出: 问题提出:
我们在初中学过,当物体温度升高时, 我们在初中学过,当物体温度升高时, 就要吸收热量;当物体温度降低时, 就要吸收热量;当物体温度降低时, 就要放出热量。而且热量公式Q 就要放出热量。而且热量公式Q = cm△ 这里有一个有趣的问题: cm△t,这里有一个有趣的问题:地 球上有大量的海水, 球上有大量的海水,它的总质量约为 1.4× 1.4×1018 t , 如果这些海水的温度降低 C,将要放出多少焦耳的热量 将要放出多少焦耳的热量? 0.1oC,将要放出多少焦耳的热量?海水 的比热容为C=4.2 C=4.2× 的比热容为C=4.2×103J/(kg·℃)
放出5.8×1023J的热量,这相当于1800万个核 放出5.8× 的热量,这相当于1800万个核 5.8 1800 电站一年的发电量

?热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体 热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体 热量从温度高的物体自发地 “自发地”,指的是没有任何外界的影响或帮助。 自发地” 指的是没有任何外界的影响或帮助。 有没有可能发生这样地现象, 有没有可能发生这样地现象,热量自发地从低温物 体传给高温物体,使低温物体的温度越来越低, 体传给高温物体,使低温物体的温度越来越低,高 温物体的温度越来越高。 温物体的温度越来越高。

?电冰箱内部的温度比外部低,为什么致冷系统还能 电冰箱内部的温度比外部低, 电冰箱内部的温度比外部低 够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气? 够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气? ?这是因为电冰箱消耗了电能,对致冷系统做了功。 这是因为电冰箱消耗了电能,对致冷系统做了功。 这是因为电冰箱消耗了电能 一旦切断电源, 一旦切断电源,电冰箱就不能把其内部的热量传给 外界的空气了。相反, 外界的空气了。相反,外界的热量会自发地传给电 冰箱,使其温度逐渐升高。 冰箱,使其温度逐渐升高。

某种变化有自动发生的趋势,一旦发生就无 某种变化有自动发生的趋势, 需借助外力,可以自动进行, 需借助外力,可以自动进行,这种变化称为自 发变化。 发变化。 自发变化的共同特征— 自发变化的共同特征—不可逆性 任何自发 变化的逆过程是不能自动进行的。 变化的逆过程是不能自动进行的。

大气

电冰箱制 冷系统

贮藏的 食品

要将热量从低温物体传向高温物体, ② 要将热量从低温物体传向高温物体, 必须有外界的影响和帮助, 必须有外界的影响和帮助,就是要有外界 对其做功才能完成
热传导的方向性: 热传导的方向性:两个温度不同的物体相互接 触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体; 触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体; 要实现相反过程,必须借助外界的帮助, 要实现相反过程,必须借助外界的帮助,因而 产生其他影响或引起其他变化。 产生其他影响或引起其他变化。

① 热量却不能自发地从低温物体传 向高温物体

?结论:热力学第二定律的一种表述:热量不 结论:热力学第二定律的一种表述: 结论 能自发地从低温物体传到高温物体。 能自发地从低温物体传到高温物体。这是 热力学第二定律的克劳修斯表述。 热力学第二定律的克劳修斯表述。
(按照热传递的方向性来表述的) 按照热传递的方向性来表述的)

?热力学第二定律的克劳修斯表述实 热力学第二定律的克劳修斯表述实 质上就是:热传递过程是不可逆的。 质上就是:热传递过程是不可逆的。

一个在水平地面上的物体, 一个在水平地面上的物体, 由于克服摩擦力做功, 由于克服摩擦力做功,最后 要停下来。在这个过程中, 要停下来。在这个过程中, 物体的动能转化成为内能, 物体的动能转化成为内能, 使物体和地面的温度升高。 使物体和地面的温度升高。

降温 我们能不能看到这样的现象: 我们能不能看到这样的现象:一 个放在水平地面上的物体, 个放在水平地面上的物体,靠降低 温度, 温度,可以把内能自发地转化为动 使这个物体运动起来. 能,使这个物体运动起来.

思考讨论下列问题: 思考讨论下列问题: 1.前面我们学习了第一类永动机, 1.前面我们学习了第一类永动机,不能制成的原因是 前面我们学习了第一类永动机 违背了能量守恒) (违背了能量守恒) 什么? 什么? 2.热机是一种把什么能转化成什么能的装置? 2.热机是一种把什么能转化成什么能的装置? 热机是一种把什么能转化成什么能的装置 (热机是一种把内能转化成机械能的装置 热机是一种把内能转化成机械能的装置) 热机是一种把内能转化成机械能的装置 3.热机的效率能否达到100%? 3.热机的效率能否达到100%? 热机的效率能否达到100% (热机的效率不能达到100%) 热机的效率不能达到100%)

以内燃机为例, 以内燃机为例,气缸中的气 体得到燃烧时产生的热量为 推动活塞做工W Q1,推动活塞做工W,然 后排出废气, 后排出废气,同时把热量 散发到大气中, Q2散发到大气中, 由能量守恒定律可知: 由能量守恒定律可知:Q1 = W + Q2 ?我们把热机做的功W和它 我们把热机做的功W 我们把热机做的功 从热源吸收的热量Q 从热源吸收的热量Q1的比 值叫做热机的效率,用η表 值叫做热机的效率, 示

?η=W / Q1 η=W

?实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械 实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械 热机必须有热源和冷凝器,热机工作时, 能,热机必须有热源和冷凝器,热机工作时, 总要向冷凝器散热, 总要向冷凝器散热,不可避免的要由工作物质 带走一部分热量Q 所以有: 带走一部分热量Q2,所以有:Q1>W ?因此,热机的效率不可能达到100%,汽车上 因此,热机的效率不可能达到100%, 因此 100% 的汽油机械效率只有20% 30%, 20%~ 的汽油机械效率只有20%~30%,蒸汽轮机的 效率比较高,也只能达到60% 60%, 效率比较高,也只能达到60%,即使是理想热 机,没有摩擦,也没有漏气等能量损失,它也 没有摩擦,也没有漏气等能量损失, 不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能, 不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能, 总要有一部分散发到冷凝器中。 总要有一部分散发到冷凝器中。 热转换为功的过程也是不可逆的,具有方向性。 热转换为功的过程也是不可逆的,具有方向性。

机械能和内能的转化过程具有方向性 机械能可以全部转化成内能, 机械能可以全部转化成内能,但内能却不能 全部转化成机械能,同时不引起其他变化。 全部转化成机械能,同时不引起其他变化。 热力学第二定律的开尔文表述 不可能从单一热源吸收热量, 不可能从单一热源吸收热量,使之完全变 成功,而不产生其他影响。 成功,而不产生其他影响。 (机械能与内能转化具有方向性) 机械能与内能转化具有方向性)

第二类永动机: 第二类永动机:人们把想象中能 够从单一热源吸收热量, 够从单一热源吸收热量,全部 用来做功而不引起其他变化的 热机叫做第二类永动机。 热机叫做第二类永动机。 第二类永动机不可能制成

定律的两种表述
不可能将热量从低温物体 传到高温物体而不引起其它变化( 传到高温物体而不引起其它变化(即热量不会 自动地从低温物体传到高温物体)。 自动地从低温物体传到高温物体)。 不可能从单一热源吸取热 量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。 量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。 第二类永动机是不可能制成的) (第二类永动机是不可能制成的)

两种表述是等价的
可以从一种表述导出另一种表述, 可以从一种表述导出另一种表述, 两种表述都称为热力学第二定律

热力学第二定律的意义
1)提示了有大量分子参与的宏观过程的 方向性,是独立于热力学第一定律的一 方向性, 个重要自然规律. 个重要自然规律. 2)对生活实践的指导作用

热力学第二定律揭示了有大量分子参与 的宏观过程的方向性。( 。(自然界中进行 的宏观过程的方向性。(自然界中进行 的涉及热现象的宏观过程都具有方向 性)。 ?不管如何表述,热力学第二定律的实质 不管如何表述, 不管如何表述 在于揭示了: 在于揭示了:一切与热现象有关的实际 宏观过程都是不可逆的。 宏观过程都是不可逆的。
违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以 发生。 发生。 自然过程是按一定方向进行的。 自然过程是按一定方向进行的。

热学过程的方向性(实例) 热学过程的方向性(实例)
1、热传导的方向性 2、扩散现象有方向性

A

B

A

B

“气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不 可逆的 可逆的”

热学过程的方向性(实例) 热学过程的方向性(实例)
1、热传导的方向性 2、扩散现象有方向性 3、能量转化有方向性
· ·

功 → 热:可自动进行 如摩擦生热、焦耳实验) (如摩擦生热、焦耳实验) 热 → 功:不可自动进行 焦耳实验中, (焦耳实验中,不可能水温自动 降低推动叶片而使重物升高) 降低推动叶片而使重物升高)

水 叶片

焦耳实验

第一类永动机和第二类永动机比较 它们都不可能制成,第一类 它们都不可能制成, 永动机的设想违反了能量守恒定 律;第二类永动机的设想虽不违 反能量守恒定律, 反能量守恒定律,但违背了跟热 现象相联系的宏观过程具有方向 性的自然规律。 性的自然规律。

? 热力学第一定律和热力学第二定律 热力学第一定律和热力学第二 定律是构成热力学知识的理论基础, 定律是构成热力学知识的理论基础, 前者对自然过程没有任何限制, 前者对自然过程没有任何限制,只 指出在任何热力学过程中能量不会 有任何增加或损失, 有任何增加或损失,反映的是物体 内能的变化与热量、 内能的变化与热量、做功的定量关 系;后者则是解决哪些过程可以自 发地发生, 发地发生,哪些过程必须借助于外 界条件才能进行。 界条件才能进行。

例题分析: 例题分析:
? ? ? ? ? [例1]根据热力学第二定律,下列判断正确的是 1]根据热力学第二定律, 根据热力学第二定律 A. 电流的能不可能全部变为内能 在火力发电机中, B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部变为电能 C.热机中,燃气内能不可能全部变为机械能 热机中, 在热传导中, D.在热传导中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温 度物体. 度物体.

? [解析]根据热力学第二定律可知,凡与热现象有关的宏观过 解析]根据热力学第二定律可知, 程都具有方向性,电流的能可全部变为内能( 程都具有方向性,电流的能可全部变为内能(由电流热效应 中的焦耳定律可知) 而内能不可能全部变成电流的能. 中的焦耳定律可知),而内能不可能全部变成电流的能.机 械能可全部变为内能,而内能不可能全部变成机械能, 械能可全部变为内能,而内能不可能全部变成机械能,在热 传导中,热量只能自发地从高温物体传递给低温物体, 传导中,热量只能自发地从高温物体传递给低温物体,而不 能自发地从低温物体传递给高温物体,所以选项B 能自发地从低温物体传递给高温物体,所以选项B、C、D正 确.

例2.如图所示文艺复兴时期意大利的达·芬奇造 2.如图所示文艺复兴时期意大利的达· 如图所示文艺复兴时期意大利的达 了一个永动机装置。他设计时认为, 了一个永动机装置。他设计时认为,右边的重球 比左边的重球离轮心更远些, 比左边的重球离轮心更远些,在两边不均衡的作 用下会使轮子沿箭头方向转动不息 (AC) A.这是第一类永动机 B.这是第二类永动机 它不可能成功, C.它不可能成功,因为违反能的转化及守恒定 律 它不可能成功, D.它不可能成功,因为违反热力学第二定律

例3.下列说法正确的是 (AC ) 3.下列说法正确的是 在自然条件下, A.在自然条件下,热传递的过程是不 可逆的 B.热量不可能由高温物体传递给低温 物体 C.气体的扩散过程具有方向性 D.一切形式能量转化都不具有方向性

例4.下列说法中可行的是 ( D ) 4.下列说法中可行的是 将地球上所有海水的温度降低0.1℃ 0.1℃, ① 将地球上所有海水的温度降低0.1℃, 以放出大量内能供人类使用 制造一种机器, ② 制造一种机器,把物体与地面摩擦所产 生的热量全部收集起来再全部加以使用 建造一只可以从海洋中提取热量的船, ③ 建造一只可以从海洋中提取热量的船, 把热量转化为机械能, 把热量转化为机械能,驱动螺旋桨旋转 制造一种效率为100 100% ④ 制造一种效率为100%的热机 A.. ①④可行 A..①可行 B.①④可行 C.②④ ①②③④都不可行 可行 D.①②③④都不可行

例5.根据热力学第二定律,可知下列说法中 5.根据热力学第二定律, 根据热力学第二定律 正确的是( 正确的是(AD) A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部 用来做功, 用来做功,而不引起其它变化 没有冷凝器,只有单一的热源, B.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从 单一热源吸收的热量全部用来做功, 单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引 起其它的变化的热机是可实现的 C.致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较 高温度的空气中而不引起其它变化 D.不可能使热量由低温物体传递到高温物 体,而不引起其他变化

例6.关于第二类永动机,下列说法中正确的 6.关于第二类永动机, 关于第二类永动机 是( C) 它既不违反热力学第一定律, A.它既不违反热力学第一定律,也不违反 热力学第二定律 它既违反了热力学第一定律, B.它既违反了热力学第一定律,也违反了 热力学第二定律 它不违反热力学第一定律, C.它不违反热力学第一定律,只违反热力 学第二定律 它只违反热力学第一定律, D.它只违反热力学第一定律,不违反热力 学第二定律

例7.根据热力学定律和分子动理论,可知下 7.根据热力学定律和分子动理论, 根据热力学定律和分子动理论 列说法中正确的是( 列说法中正确的是( B ) 我们可以利用高科技手段, A.我们可以利用高科技手段,将流散到周围 环境中的内能重新收集起来加以利用而不引 起其它变化 B.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制 造一种热机, 造一种热机,将海水的一部分内能转化为机 械能, 械能,这在原理上是可行的 C.分子间的作用力总是随分子间的距离增 大而减小 温度升高时, D.温度升高时,物体中每个分子的运动速 率都将增大

例8.用两种不同的金属丝组成一个回路,触点1插在 8.用两种不同的金属丝组成一个回路,触点1 用两种不同的金属丝组成一个回路 热水中,触点2插在冷水中,如图所示, 热水中,触点2插在冷水中,如图所示,电流表指针 会发生偏转,这就是温差发电现象。 会发生偏转,这就是温差发电现象。下列有关温差 发电现象的说法中,正确的是( 发电现象的说法中,正确的是( ) BD 该实验符合能量转化守恒定律, A.该实验符合能量转化守恒定律,但违背了热力学 第二定律 B.该实验中有部分内能转化为电路的电能 该实验中热水的温度降低, C.该实验中热水的温度降低,冷水的温度不变 该实验中热水的温度降低, D.该实验中热水的温度降低,冷水的温度升高
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