1.知道熱傳遞、擴(kuò)散現(xiàn)象、機(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等都具有方向性。具有方向性的過(guò)程是不可逆的。2.理解熱力學(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)不可能制成的原因。3.學(xué)會(huì)用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問(wèn)題。
一、熱力學(xué)第二定律1.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。(1)熱傳導(dǎo)的方向性。①熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體。②熱傳導(dǎo)過(guò)程是有　方向性　的。熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體。?(2)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。?
(2)熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表達(dá)。不可能從　單一熱庫(kù)　吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響。?
微探究 河水只能從高處流向低處,不會(huì)自動(dòng)地從低處流向高處。成語(yǔ)“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不可能再倒回盆中的。下落的石頭也不會(huì)把內(nèi)能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,使自己重新飛上去。(1)這些現(xiàn)象說(shuō)明什么道理?(2)能否使這些現(xiàn)象逆向進(jìn)行?(3)傳熱的方向性能否簡(jiǎn)單理解為“熱量不會(huì)從低溫物體傳給高溫物體”?
提示:(1)這些現(xiàn)象說(shuō)明自然界的宏觀過(guò)程不可能自動(dòng)地逆向進(jìn)行。(2)可以使這些現(xiàn)象逆向進(jìn)行,但不是自發(fā)地,必須有第三者的介入。(3)傳熱的方向性是指“熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體”,在有第三者介入時(shí),熱量會(huì)從低溫物體傳給高溫物體。傳熱的方向性不能簡(jiǎn)單理解為“熱量不會(huì)從低溫物體傳給高溫物體”。
二、能源是有限的1.能量耗散:能量在數(shù)量上雖然守恒,但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有　方向性　。我們使用的能源最后都轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能,能源消耗使得周圍環(huán)境升溫,根據(jù)熱力學(xué)第二定律,這些能量再也不能自動(dòng)聚集起來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程叫作“能量耗散”。?2.能源:指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì),例如石油、天然氣、煤等。
3.能源的使用:能源的使用過(guò)程中雖然總量保持守恒,但能量的　品質(zhì)　下降了。雖然能量總量不會(huì)減少,但能源會(huì)逐步減少,因此能源是有限的資源。?微思考 能量耗散的說(shuō)法與能量守恒定律是互相矛盾的嗎?提示:不矛盾。能量耗散的過(guò)程中能量向品質(zhì)低的內(nèi)能轉(zhuǎn)變,但是總的能量是守恒的,能量不能憑空產(chǎn)生,也不能憑空消失,但有方向性,所以能量耗散與能量守恒不矛盾。
重難歸納1.在熱力學(xué)第二定律的表述中,“自發(fā)地”“不可能”“不產(chǎn)生其他影響”的含義如下。(1)“自發(fā)地”:指熱量從高溫物體傳給低溫物體的方向性。在傳遞過(guò)程中不需要借助其他物體提供能量。
一 對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解
(2)“不可能”:熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)工作時(shí),除了從單一熱庫(kù)吸收熱量對(duì)外做功,以及熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)以外,過(guò)程所產(chǎn)生的其他一切影響,不論用任何曲折復(fù)雜的辦法都不可能加以消除。(3)“不產(chǎn)生其他影響”:發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對(duì)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。
2.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述與開(kāi)爾文表述的對(duì)比。
3.熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律的比較。
1821年,德國(guó)物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)了一種怪現(xiàn)象:把兩根銅絲和一根鐵絲與靈敏電流計(jì)串聯(lián)成閉合電路,然后把銅絲與鐵絲的一個(gè)連接點(diǎn)放在盛有冰水混合物的容器里保持低溫,另一個(gè)連接點(diǎn)放在火焰上加熱,升到很高的溫度時(shí),發(fā)現(xiàn)靈敏電流計(jì)的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn),表明閉合電路中產(chǎn)生了電流,這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象。這一實(shí)驗(yàn)是否違反熱力學(xué)第二定律?簡(jiǎn)述這一過(guò)程中能的轉(zhuǎn)化情況。
提示:不違反,內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為電能,而不產(chǎn)生其他影響;產(chǎn)生的電能是由被火焰加熱的金屬絲的內(nèi)能轉(zhuǎn)化而來(lái),其內(nèi)能一部分轉(zhuǎn)化為電能,一部分傳遞給冰水混合物。
典例剖析下列說(shuō)法正確的是(　　)A.熱力學(xué)第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性B.電流流過(guò)導(dǎo)體,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,反過(guò)來(lái),可將內(nèi)能收集起來(lái),再轉(zhuǎn)化成同樣多的電能而不產(chǎn)生其他影響C.可以做成一種熱機(jī),由熱源吸取一定的熱量而對(duì)外做功D.冰可以熔化成水,水也可以結(jié)成冰,這個(gè)現(xiàn)象違背了熱力學(xué)第二定律答案:C
解析:熱力學(xué)第二定律說(shuō)明了一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都是有方向性的,但并沒(méi)有否定以特殊方式利用能量的可能性,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;功和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性,其逆過(guò)程是不可能自發(fā)實(shí)現(xiàn)的,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤;只要不要求吸收的熱量全部用來(lái)做功而不產(chǎn)生其他影響,可以做成一種熱機(jī),由熱源吸取一定熱量而對(duì)外做功,故選項(xiàng)C正確;冰熔化成水,水結(jié)成冰,伴隨著能量的轉(zhuǎn)移,不是自發(fā)進(jìn)行的,沒(méi)有違背熱力學(xué)第二定律,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
規(guī)律方法 利用熱力學(xué)第二定律解題三要點(diǎn) 1.明確熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的。其實(shí)質(zhì)是自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀物理過(guò)程都具有方向性。 2.特別注意“不產(chǎn)生其他影響”和“產(chǎn)生其他影響”。熱量可以從低溫物體傳到高溫物體,但要產(chǎn)生其他影響。 3.熱機(jī)的效率總是小于1,因?yàn)樗傄虻蜏責(zé)釒?kù)散熱。
學(xué)以致用(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律,下列說(shuō)法正確的是(　　)A.熱機(jī)中燃料燃燒產(chǎn)生的熱量不可能全部變成機(jī)械能B.電能不可能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能C.在火力發(fā)電機(jī)中,燃料燃燒產(chǎn)生的熱量不可能全部轉(zhuǎn)化成電能D.在熱傳遞中,熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體答案:ACD
解析:凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性。無(wú)論采用任何設(shè)備和手段進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化,熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%,故熱機(jī)中燃料燃燒產(chǎn)生的熱量不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,故選項(xiàng)A正確;火力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí),能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程為內(nèi)能→機(jī)械能→電能,因?yàn)閮?nèi)能→機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)對(duì)外放出熱量,故燃料燃燒產(chǎn)生的熱量必然不能全部轉(zhuǎn)化為電能,故選項(xiàng)C正確;熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行,必須借助外界的幫助,結(jié)果會(huì)帶來(lái)其他影響,這正是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述的主要思想,故選項(xiàng)D正確。
重難歸納1.熱機(jī)。(1)熱機(jī):熱機(jī)是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的一種裝置。如蒸汽機(jī)把水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;內(nèi)燃機(jī)是把燃燒后的高溫高壓氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
二 熱機(jī)與第二類永動(dòng)機(jī)的分析
2.第二類永動(dòng)機(jī)。(1)第二類永動(dòng)機(jī):只從單一熱庫(kù)吸收熱量,使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。這類機(jī)器雖然不違背能量守恒定律,但因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程是有方向性的,熱機(jī)工作時(shí)從高溫?zé)釒?kù)吸收的熱量Q,只有一部分用來(lái)做功W,轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,另一部分熱量要排放給低溫?zé)釒?kù)。也就是說(shuō),熱機(jī)在工作過(guò)程中必然排出部分熱量,熱機(jī)用于做功的熱量?jī)H是它從高溫?zé)釒?kù)吸收熱量的一部分,絕不會(huì)是全部,所以第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。
從上面的分析可知,即使沒(méi)有任何漏氣、摩擦、不必要機(jī)體熱量損失,也總有W0,根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU=W+Q>0,所以其內(nèi)能增大,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
3.下列說(shuō)法正確的是(　　)A.熱量不能從低溫物體傳到高溫物體B.第二類永動(dòng)機(jī)不能制成,因?yàn)檫`背能量守恒定律C.氣體向真空的自由膨脹是不可逆的,故無(wú)法把膨脹后的氣體恢復(fù)到原來(lái)的體積D.即使沒(méi)有任何漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失,熱機(jī)的效率也不會(huì)是100%答案:D
解析:熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體,在外力做功的情況下,熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;第二類永動(dòng)機(jī)不能制成,因?yàn)檫`背熱力學(xué)第二定律,但沒(méi)有違背能量守恒定律,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤;氣體向真空的自由膨脹是不可逆的,但通過(guò)外力作用,可以把膨脹后的氣體恢復(fù)到原來(lái)的體積,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由熱力學(xué)第二定律可知,即使沒(méi)有摩擦、漏氣和不必要的散熱等損失,熱機(jī)的效率也不能達(dá)到100%,故選項(xiàng)D正確。
4.(多選)根據(jù)熱力學(xué)定律,下列說(shuō)法正確的是(　　)A.科技的進(jìn)步可以使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱庫(kù)的熱機(jī)B.空調(diào)機(jī)在制冷過(guò)程中,從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量C.電冰箱的工作過(guò)程表明,熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞D.對(duì)能源的過(guò)度消耗將使自然界的能量不斷減少,形成能源危機(jī)答案:BC
解析:不可能從單一熱庫(kù)吸熱全部用來(lái)對(duì)外做功而不引起其他變化,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;空調(diào)機(jī)在制冷過(guò)程中,從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量,因?yàn)殡娔芤膊糠洲D(zhuǎn)化為熱能,選項(xiàng)B正確;熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞,但要引起其他變化,選項(xiàng)C正確;對(duì)能源的過(guò)度消耗將形成能源危機(jī),但自然界的總能量守恒,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
5.關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)的兩個(gè)定律,下列說(shuō)法正確的是(　　)A.第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律B.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律C.由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能,熱傳遞也不一定改變內(nèi)能,但同時(shí)做功和傳熱一定會(huì)改變內(nèi)能D.由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的,從單一熱庫(kù)吸收熱量,完全變成功也是可能的答案:D

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