1.了解傳熱、擴散現(xiàn)象、機械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等都具有方向性。知道具有方向性的過程是不可逆的。(物理觀念)2.了解熱力學第二定律的兩種表述,并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制造成功的原因。(物理觀念)3.能用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題,并能解決一些實際問題。(科學思維)4.了解能量耗散、能源和環(huán)境。(科學態(tài)度與責任)
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一、熱力學第二定律1.熱力學第二定律的克勞修斯表述(1)內(nèi)容:熱量不能自發(fā)地從　　　　　物體傳到　　　　　物體。即傳熱的過程具有　　　　。?(2)傳熱的方向性①熱量可以自發(fā)地由　　　　　物體傳給　　　　物體。?②熱量不能自發(fā)地由　　　　　物體傳給　　　　物體。?③一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是　　 　　。?
不需要任何第三者介入就能發(fā)生
2.熱力學第二定律的另一種表述(1)熱機工作的兩個階段:第一個階段是燃燒燃料,把燃料中的　　　　變成工作物質(zhì)的　　　　。第二個階段是工作物質(zhì)對外　　　,把自己的內(nèi)能變成　　　　。?(2)開爾文表達不可能從單一熱庫吸收熱量,使之　　　　　　,而不產(chǎn)生其他影響。?
克勞修斯表述和開爾文表述是等價的
闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性
二、能源是有限的1.能量耗散:人類使用的能源最后都轉(zhuǎn)化成　　　　分散在環(huán)境中不能　　　　聚集起來驅(qū)動機器做功,這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。?2.能量耗散雖然不會導致能量總量的減少,卻會導致能量　　　　的降低,它實際上是將能量從高度有用的　　　　 形式降級為可用性差的　　　　形式。?3.能源:是指具有高品質(zhì)的容易利用的　　　　　,例如石油、天然氣、煤等。?
反映出自然界中的自發(fā)變化過程具有方向性
情境鏈接覆水難收;破鏡難圓;水從高山流到河谷,不可能自己再返回高山;一滴墨水滴入一杯清水,會均勻地擴散開來,不可能再自動地凝成一滴墨水……這些現(xiàn)象說明了什么道理?
提示 自然界的宏觀過程不可能自發(fā)地逆向進行。
教材拓展閱讀教材P60思考與討論,想一下電冰箱是怎么工作的?
提示 電冰箱是一種利用工作物質(zhì),使熱量從低溫物體傳到高溫物體的裝置,通過壓縮機的工作可以使一定空間內(nèi)的物體溫度低于環(huán)境溫度并維持低溫狀態(tài)。
易錯辨析(1)機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(　　)(2)能夠制成的熱機既不違背能量守恒定律,也不違背熱力學第二定律。(　　)(3)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。(　　)(4)根據(jù)能量守恒定律可知,節(jié)約能源是沒有必要的。(　　)(5)能量耗散會導致總能量減少,也會導致能量品質(zhì)降低。(　　)
提示人類使用能源的過程,盡管能量的數(shù)值不變,但最終會變?yōu)榭捎眯圆畹膬?nèi)能,可以利用的能源會減少,因此,有必要節(jié)約能源。
提示能量耗散不會導致總能量減少,但會導致能量品質(zhì)降低。
探究點一　熱力學第二定律
1.如圖所示,在甲圖的活塞上輕輕放上一塊小物體,重力做功將重力勢能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能,氣體溫度升高與外界進行熱交換,直到乙圖所示的狀態(tài),活塞還能自發(fā)地返回到原位置嗎?
要點提示 活塞不能自發(fā)地返回到原位置,氣體不會自發(fā)地將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能,因為這違背了熱力學第二定律。
2.隨著科技的不斷發(fā)展,是不是能夠使熱機效率達到100%?
要點提示 不能,因為熱機的工作物質(zhì)吸收的熱量不能完全用來做功,這違背了熱力學第二定律。
1.宏觀自然過程的方向性(1)傳熱具有方向性兩個溫度不同的物體相互接觸時,熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,而低溫物體不可能自發(fā)地將熱量傳給高溫物體,要實現(xiàn)低溫物體向高溫物體傳遞熱量,必須借助外界的幫助,因而產(chǎn)生其他影響。(2)氣體的擴散現(xiàn)象具有方向性兩種不同的氣體可以自發(fā)地進入對方,最后成為均勻的混合氣體,但這種均勻的混合氣體,決不會自發(fā)地分開,成為兩種不同的氣體。
(3)機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性物體在地面上運動,因摩擦而逐漸停止下來,但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后,在地面上重新運動起來。(4)氣體向真空膨脹具有方向性氣體可自發(fā)地向真空容器內(nèi)膨脹,但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出,使容器內(nèi)變?yōu)檎婵铡?br/>2.對熱力學第二定律的理解(1)克勞修斯表述中“自發(fā)”的含義:當兩個物體接觸時,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,熱量就能從高溫物體傳到低溫物體?！白园l(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體。(2)開爾文表述中“不可能從單一熱庫吸收熱量”的含義:不僅要從一個熱庫吸熱,而且一定會向另一個熱庫放熱。即熱機工作時須有高溫熱庫和低溫熱庫。(3)開爾文表述中“不產(chǎn)生其他影響”的含義:是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響,如吸熱、放熱、做功等。
特別提示　(1)熱力學第二定律的兩種表述是等價的。(2)熱力學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,使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。
3.熱力學第二定律與熱力學第一定律的比較
【例1】 如圖所示的汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體,汽缸壁是導熱的,缸外環(huán)境保持恒溫,活塞與汽缸壁的接觸是光滑的,但不漏氣。現(xiàn)將活塞桿與外界連接,在外界的幫助下使其緩慢地向右移動,這樣氣體將等溫膨脹并通過桿對外做功。若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān),則下列說法正確的是(　　)A.氣體從單一熱庫吸熱,全用來對外做功,因此此過程違反熱力學第二定律B.氣體從單一熱庫吸熱,但并未全用來對外做功,所以此過程不違反熱力學第二定律C.氣體從單一熱庫吸熱,全用來對外做功,但此過程不違反熱力學第二定律D.A、B、C三種說法都不對
解析 熱力學第二定律從機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來描述是不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功,而不產(chǎn)生其他影響。本題中如果沒有外界的幫助,是不可能做等溫膨脹的,即這一過程雖然是氣體從單一熱庫吸熱,全用來對外做功,但產(chǎn)生了其他影響,所以此過程不違反熱力學第二定律。
1.(2023湖北武漢高二期末)下列關(guān)于熱力學第二定律的說法正確的是(　　)A.隨著科技的進步,所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發(fā)生B.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是可逆的C.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能且不產(chǎn)生其他影響D.氣體向真空的自由膨脹是可逆的
解析 即使科技越來越進步,所有符合能量守恒定律但不符合熱力學第二定律的宏觀過程也無法發(fā)生,故A錯誤;一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的,故B錯誤;機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能且不產(chǎn)生其他影響,故C正確;氣體向真空的自由膨脹是不可逆的,故D錯誤。
探究點二　熱機的工作原理與效率
1.國內(nèi)某柴油機廠所產(chǎn)的單缸柴油機如圖所示,圖中上方部分為水箱,熱機工作時,內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機械能嗎?為什么?水箱所起的作用是什么?
要點提示 柴油機工作時水箱所起的作用是作為低溫熱庫給熱機快速降溫,在內(nèi)能向機械能轉(zhuǎn)化的過程中,內(nèi)能有一部分轉(zhuǎn)移到低溫熱庫,不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能。
2.我們把“從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響的熱機稱為第二類永動機”,如果隨著科技的不斷發(fā)展,能夠使熱機沒有漏氣、沒有摩擦,是不是就能制成第二類永動機?
要點提示 不能。即使沒有摩擦、沒有漏氣等能量損失,它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機械能,例如汽車排出氣體的溫度一定會比空氣的溫度高,它會向周圍散熱。所以說第二類永動機是不可能制成的。
1.熱機(1)熱機的工作原理工作物質(zhì)從熱庫吸收熱量Q1,推動活塞做功W,然后排出廢氣,同時把熱量Q2散發(fā)到冷凝器或大氣中。根據(jù)能量守恒定律有Q1=W+Q2。(2)熱機的效率把熱機做的功W與它從熱庫中吸收的熱量Q1的比值叫作熱機的效率,用η
因為Q1=W+Q2,所以Q1>W,η

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