魯科版選修33 熱力學第二定律 第1課時 學案.docx

第3節(jié) 熱力學第二定律思維激活1.燃燒的火柴，將化學能轉化為熱能，沒見過燃過的火柴再自動“回復”原狀.2.兩種不同的氣體可以自發(fā)地進入對方，最后成為一種均勻的混合氣體，但是絕不會發(fā)生相反的現(xiàn)象：一種均勻的混合氣體會自發(fā)地分開，成為兩種氣體.3.蕩來蕩去的秋千，如果不能持續(xù)得到外加的能量，空氣阻力及秋千受到的摩擦力就會使秋千逐漸減小擺動的幅度，直到最終停擺.絕沒見過停擺的秋千又自動擺動起來.4.人們從生到死，沒見過“返老還童”.不能實現(xiàn)這些相反的過程嗎?提示：現(xiàn)實生活中，很多熱現(xiàn)象都是不可逆的，氣體的膨脹、擴散、有摩擦的機械運動都有特定的方向性，這些過程可以自發(fā)地朝某個方向進行，例如熱由高溫物體傳向低溫物體，而相反的過程，即使不違背能量守恒定律，我們也從未見到它們會自發(fā)地進行.為了反映宏觀自然過程的方向性，我們引入了熱力學第二定律.自主整理一、自然過程的方向性1.溫度不同的兩個物體接觸時,熱量會_地從_物體傳給_物體,但不會自發(fā)地從_物體傳給_物體.這說明:熱傳導的過程具有_.2.“自發(fā)地”是指沒有任何外界的影響或幫助.如:重物下落、植物的開花結果等都是自然界客觀存在的一些過程,它們不受外來干擾,這就是“自發(fā)”的過程.3.功轉變?yōu)闊徇@一熱現(xiàn)象是_的,具有_.熱轉變?yōu)楣@一熱現(xiàn)象也是_的,具有_.二、熱力學第二定律的表述1.在物理學中,反映宏觀自然過程的_的定律就是熱力學第二定律.2.第一種表述(克勞修斯表述):熱量不能_從低溫物體傳到高溫物體.(說明熱傳導的方向性).3.第二種表述(開爾文表述):不可能從_吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響.(說明功轉變?yōu)闊岈F(xiàn)象的宏觀過程是不可逆的).4.第二類永動機(1)定義 只從_吸收熱量,使之完全變?yōu)橛杏玫腳而不引起其他變化的熱機.(2)第二類永動機不可能制成 雖然第二類永動機不違反_,大量的事實證明,在任何情況下,熱機都不可能只有一個熱源,熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?就不可避免地將一部分熱量傳給低溫熱源.高手筆記1.熱機的效率 熱機是一種把內(nèi)能轉化為機械能的裝置,并且熱機做的功w和它從熱源吸收的熱量q的比值叫做熱機的效率,即=.2.兩類永動機的比較(1)第一類永動機:不消耗任何能量,卻可以源源不斷地對外做功.能量的轉化和守恒定律的發(fā)現(xiàn),使人類認識到第一類永動機是不可能制成的,它違背了能量的轉化和守恒定律.(2)第二類永動機:有人想制成這樣的熱機,只有單一的熱源而沒有冷凝設備,它可以從這個單一熱源吸收熱量,并且可以全部用來做功,而不引起其他變化,這種人們假想中的熱機稱為第二類永動機.這類永動機雖然沒有違反能量的轉化和守恒定律,但是,同制造第一類永動機一樣都失敗了,其原因是機械能和內(nèi)能的轉化都有方向性,盡管機械能都可以全部轉化為內(nèi)能,但是內(nèi)能卻不能全部轉化為機械能,而不引起其他變化,即第二類永動機違反了熱力學第二定律.名師解惑1.熱力學第二定律的意義剖析：系統(tǒng)的熱力學過程就是大量分子無序運動狀態(tài)的變化過程.(1)從微觀看,在功轉化為熱的過程中,自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉化的過程,但其逆過程卻不能自動地進行,即不可能由大量分子無規(guī)則的熱運動自動轉變?yōu)橛行蜻\動;熱傳遞的過程中,自然過程是大量分子從無序程度小(即一部分熱運動劇烈,另一部分運動遲緩的有序性)的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉化的過程,其逆過程不能自動進行.(2)揭示了自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程(或自然界中實際的宏觀過程)都具有方向性.熱現(xiàn)象是與大量分子的無規(guī)則運動相聯(lián)系的,因此,自然界中存在的凡涉及與分子熱運動有關的宏觀過程都是有方向性的.(3)說明自然界中各種不可逆過程都是相關聯(lián)的,即由某一過程的不可逆性可推出另一過程的不可逆性.2.第二類永動機不可能制成剖析：這類機器雖然不違背能的轉化與守恒定律,但因為機械能和內(nèi)能的轉化過程是具有方向性的,熱機工作時從高溫熱源吸收的熱量q,只有一部分用來做功w,轉變?yōu)闄C械能,另一部分熱量要排放給低溫熱源,也就是說,熱機在工作過程中必然排出部分熱量,熱機用于做機械功的熱量僅是它從高溫熱源吸收熱量的一部分,絕不會是全部.所以第二類永動機是不可能制成的.從上面的分析可知,即使沒有任何漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失,總有wq,所以熱機的效率也達不到100%.汽車發(fā)動機的效率一般在20%30%,蒸汽輪機的效率較高,才達到60%左右.3.熱力學第二定律與熱力學第一定律的關系剖析：(1)關于滑動摩擦力的功:熱力學第一定律中,滑動摩擦力做功可以全部轉化為熱.熱力學第二定律卻說明這一熱量不可能在不引起其他變化的情況下完全變成功.(2)關于熱量的傳遞:熱量可以從高溫物體自動傳向低溫物體,而熱力學第二定律卻說明熱量不能自動從低溫物體傳向高溫物體.(3)關于能量:熱力學第一定律說明在任何過程中能量必守恒,熱力學第二定律卻說明并非所有能量守恒過程均能實現(xiàn),能量轉化有方向性.(4)熱力學第一定律是和熱現(xiàn)象有關的物理過程中能量守恒的特殊表達形式,說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關系,而第二定律指出了能量轉化與守恒能否實現(xiàn)的條件和過程進行的方向,指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆,除非靠外界影響.所以二者相互獨立,又相互補充.講練互動【例1】根據(jù)熱力學第二定律，下列判斷正確的是（ ）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)殡娔躢.熱機中，燃氣內(nèi)能不可能全部變?yōu)闄C械能d.在熱傳導中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體解析：根據(jù)熱力學第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮?nèi)能（由電流熱效應中的焦耳定律可知），而內(nèi)能不可能全部變成電流的能機械能可全部變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部變成機械能.在熱傳導中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體.答案：bcd綠色通道 此類題主要考查的是熱力學第二定律的內(nèi)涵，解題的關鍵是要對熱力學第二定律有深刻的認識，并且能靈活地作相應的變換.變式訓練1下列說法中正確的是（ ）a.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性b.一切不違反能量守恒與轉化定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的c.由熱力學第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進行d.一切物理過程都不可能自發(fā)地進行答案：ac【例2】第二類永動機不可以制成，是因為（ ）a.違背了能量守恒定律b.熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體c.機械能不能全部轉變?yōu)閮?nèi)能d.內(nèi)能不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化解析：第二類永動機設想雖然符合能量守恒定律，但是違背了能量轉化中有些過程是不可逆的規(guī)律，所以不可能制成.答案：d綠色通道 熱力學第二定律表明，凡與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性，機械能可全部變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部變成機械能，而不引起其他變化.變式訓練2.下列說法正確的是（ ）a.熱力學第二定律的兩種表述是等價的b.熱力學第二定律還可表述為第二類永動機不可能制成c.熱力學第二定律揭示了宏觀過程的方向性d.能量耗散反映出自然界中宏觀過程具有方向性答案：abcd體驗探究【問題1】談談在生活中遇到的有方向性的現(xiàn)象.導思：討論交流生活當中有方向性的現(xiàn)象應從以下幾個角度進行:自然界中的宏觀過程,進行的過程是自發(fā)的,研究對象應是一個系統(tǒng).探究：“自發(fā)”過程就是不受外來干擾進行的自然過程.例如：氣體的擴散現(xiàn)象；連通器下面有個開關，兩邊水柱不一樣高，打開開關，兩管水柱相平卻不能再復原；人不能返老還童；在化學變化中，有一些變化可以向能量最低狀態(tài)、無序狀態(tài)變化等等.要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“外界的影響或幫助”，就要有外界對其做功才能完成，電冰箱就是一例.在整個自然界中，無論有生命的或無生命的，所有的宏觀自發(fā)過程都具有單向性，都有一定的方向性，都是一種不可逆過程，如水向下流，重物向下落，山岳被侵蝕，房屋衰朽倒塌，人的一生從嬰兒到老年到死亡等等.探究結論：所有的宏觀自發(fā)過程都具有單向性.【問題2】 第二類永動機為什么不可能制成?導思：第二類永動機違背了能量傳遞的方向性,能量不可能由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化.機械能可以完全轉化為內(nèi)能,但是內(nèi)能不可能完全轉化為機械能,因為在這個過程中有能量損失,一部分能量以熱能的形式流失了,最后只有一部分能量轉化為機械能,根據(jù)能量守恒定律可以知道,用來做功的能量小于從熱庫吸收的熱量,所以永動機是不可能制成的.探究：熱機從高溫熱庫吸收熱量q1，其中一部分轉化為對外所做的機械功w，另一部分熱量q2隨廢氣放出到冷凝器中，根據(jù)能的轉化和守恒定律，應有q1=w+q2，熱機效率 =1 可見，任何熱機（即使是理想熱機，沒有摩擦，也沒有漏氣等能量損失）都不可能把吸收的能量百分之百地轉化成機械能，總有一部分熱量q2散發(fā)到冷凝器中.也就是說，那種沒有冷凝器，只有單一熱庫，從這個單一熱庫吸收的熱量能全部用來做功而不引起其他變化的熱機是不存在的.探究結論：第二類永動機是永遠不可能制造成功的.教材鏈接1.教材p89討論與交流 你還能舉出其他的實例,說明熱和功相互轉化的過程具有方向性嗎? 請舉出盡可能多的例子,并與同學討論交流.答：例如:(1)機械能與內(nèi)能之間的轉化;(2)氣體的擴散;(3)在一絕熱容器內(nèi)盛有液體,不停地攪動它,使它溫度升高;(4)在一絕熱容器內(nèi),不同溫度的液體進行混合.2.教材p90討