1.了解熱傳遞、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。知道具有方向性的過(guò)程為不可逆的。2.了解熱力學(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)不能制造成功。3.能用熱力學(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,并能解決一些實(shí)際問(wèn)題。4.了解能量耗散、能源和環(huán)境。
一、宏觀過(guò)程的方向性1.溫度不同的兩個(gè)物體接觸時(shí),熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,但不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體,這說(shuō)明熱傳遞的過(guò)程具有方向性。2.無(wú)數(shù)事實(shí)告訴我們,一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的。
二、熱力學(xué)第二定律1.定義:在物理學(xué)中,反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。2.表述(1)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。(該表述闡述的是熱傳遞的方向性)(2)開(kāi)爾文表述: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。(該表述闡述的是機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)
三、能源是有限的1.能量耗散和品質(zhì)降低。(1)能量耗散:有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,即成為更加分散即無(wú)序度更大的能量,流散到環(huán)境中無(wú)法重新收集起來(lái)加以利用的現(xiàn)象。(2)能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量總量的減少,卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低,實(shí)際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降級(jí)為可用性差的低品質(zhì)形式。2.能源:所謂能源,其實(shí)是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì),例如石油、天然氣、煤等。
四、熵及熵增加原理1.熵:熵可用來(lái)表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度,系統(tǒng)從有序向無(wú)序的發(fā)展過(guò)程中熵在增加。2.熵增加原理:在自發(fā)過(guò)程中,系統(tǒng)總是自發(fā)地向無(wú)序方向發(fā)展,即一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的。
1.正誤判斷(1)機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(　　)(2)內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(　　)(3)能夠制成的熱機(jī)既不違背能量守恒定律,也不違背熱力學(xué)第二定律。(　　)(4)一個(gè)系統(tǒng)中個(gè)體排列的“有序”和“無(wú)序”是絕對(duì)的。(　　)(5)一個(gè)宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多,則熵越大。(　　)(6)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。(　　)(7)根據(jù)能量守恒定律可知,節(jié)約能源是沒(méi)有必要的。(　　)(8)能量耗散會(huì)導(dǎo)致總能量減少,也會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)降低。(　　)(9)能源的開(kāi)發(fā)和利用要考慮其對(duì)環(huán)境的影響。(　　)答案(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√　(7)×　(8)×　(9)√
2.在研究性學(xué)習(xí)的過(guò)程中,同學(xué)們提出了以下四個(gè)活動(dòng)方案,哪些從理論上講是可行的(　　)A.將散失在周圍環(huán)境中的內(nèi)能全部收回再利用B.發(fā)明一種制冷設(shè)備,使溫度降至絕對(duì)零度C.汽車尾氣中各類有害氣體排入大氣后發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象嚴(yán)重污染了空氣,使它們自發(fā)地聚在一起,既清潔了空氣,又變廢為寶D.在房屋頂部蓋上太陽(yáng)能板,可用太陽(yáng)能來(lái)解決照明和熱水問(wèn)題解析系統(tǒng)的內(nèi)能流失到周圍環(huán)境中,想要全部收回再利用只能消耗更多能源,A錯(cuò);溫度不能無(wú)限降低,絕對(duì)零度不可能達(dá)到,B錯(cuò);擴(kuò)散現(xiàn)象具有方向性,逆過(guò)程不可能自發(fā)進(jìn)行,C錯(cuò);太陽(yáng)能可以用來(lái)發(fā)電和進(jìn)行加熱,D正確。答案D
3.“能源危機(jī)”是當(dāng)今世界各國(guó)共同面臨的問(wèn)題。對(duì)此,以下措施可行的是(　　)A.人人都要自覺(jué)做到節(jié)約用水、節(jié)約用電,不浪費(fèi)和人為毀壞物品B.關(guān)閉所有的火力發(fā)電站C.各地都要興建水力和風(fēng)力發(fā)電站D.立即停止使用石油資源,改為使用核能和太陽(yáng)能解析受地域環(huán)境的限制,風(fēng)力、水力發(fā)電站不能在各地興建,因而不能關(guān)閉所有的火力發(fā)電站,故B、C錯(cuò)誤。受技術(shù)限制,核能和太陽(yáng)能尚不能完全替代石油資源,故D錯(cuò)誤。A選項(xiàng)說(shuō)法正確。答案A
4.(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,下列說(shuō)法中正確的是(　　)A.不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功,而不引起其他變化B.沒(méi)有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源吸收的熱量全部用來(lái)做功,而不引起其他變化的熱機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)的C.制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中,而不引起其他變化D.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化
解析熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程的方向性,機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性,機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須借助外部的幫助,即會(huì)引起其他變化,A選項(xiàng)正確,B選項(xiàng)錯(cuò)誤;熱傳遞過(guò)程具有方向性,熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,但是熱量要從低溫物體傳給高溫物體,必然要引起其他變化,故C選項(xiàng)錯(cuò)誤,D選項(xiàng)正確。答案AD
熱力學(xué)第二定律情境探究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(shì)能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能,氣體溫度升高與外界進(jìn)行熱交換,直到乙圖所示的狀態(tài),活塞還能自發(fā)地返回原位置嗎?要點(diǎn)提示活塞不能自發(fā)地返回原位置,氣體不會(huì)自發(fā)地將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,因?yàn)檫@違背了熱力學(xué)第二定律。2.隨著科技的不斷發(fā)展,是不是能夠使熱機(jī)效率達(dá)到100%?要點(diǎn)提示不能,原因是熱機(jī)的工作物質(zhì)吸收的熱量不能完全用來(lái)做功,這違背了熱力學(xué)第二定律。
知識(shí)歸納一、對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解在熱力學(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(1)關(guān)于“自發(fā)地”:指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性。在傳遞過(guò)程中不需借助其他物體提供能量。(2)關(guān)于“不可能”:實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(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)關(guān)于“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。
二、熱力學(xué)第二定律與第一定律的比較
實(shí)例引導(dǎo)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(dǎo)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?，F(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(dòng),這樣氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)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(shuō)法正確的是(　　)A.氣體是從單一熱源吸熱,全用來(lái)對(duì)外做功,因此此過(guò)程違反熱力學(xué)第二定律B.氣體從單一熱源吸熱,但并未全用來(lái)對(duì)外做功,所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律C.氣體是從單一熱源吸熱,全用來(lái)對(duì)外做功,但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律D.ABC三種說(shuō)法都不對(duì)
解析熱力學(xué)第二定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性來(lái)描述是:不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功,而不產(chǎn)生其他影響。本題中如果沒(méi)有外界的幫助,是不可能等溫膨脹的,即這一過(guò)程雖然是氣體從單一熱源吸熱,全用來(lái)對(duì)外做功,但產(chǎn)生了其他影響,所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律。答案C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。
變式訓(xùn)練1根據(jù)熱力學(xué)定律,下列判斷正確的是(　　)A.空調(diào)可以制冷說(shuō)明熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體B.利用淺層海水和深層海水間的溫度差制造出一種熱機(jī),將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,這在原理上是可行的C.制冷系統(tǒng)能將冰箱內(nèi)的熱量傳給外界較高溫度的空氣,而不引起其他變化D.滿足能量守恒定律的客觀過(guò)程都可以自發(fā)地進(jìn)行解析熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,A錯(cuò);由熱力學(xué)第二定律可知,B正確;熱量從低溫物體傳給高溫物體時(shí)一定會(huì)引起其他變化,C錯(cuò);只滿足能量守恒定律而不滿足熱力學(xué)第二定律的過(guò)程是不可能發(fā)生的,D錯(cuò)。答案B
第二類永動(dòng)機(jī)情境探究1.如圖所示為國(guó)內(nèi)某柴油機(jī)廠所產(chǎn)的單缸柴油機(jī),圖中上方部分為水箱,熱機(jī)工作時(shí),內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能嗎?為什么?水箱所起的作用是什么?
要點(diǎn)提示柴油機(jī)工作時(shí)水箱所起的作用是作為低溫?zé)釒?kù)給熱機(jī)快速降溫,在內(nèi)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的過(guò)程中,內(nèi)能有一部分轉(zhuǎn)移到低溫?zé)釒?kù),不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
2.我們把“從單一熱庫(kù)吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響的熱機(jī)稱為第二類永動(dòng)機(jī)”,如果隨著科技的不斷發(fā)展,能夠使熱機(jī)沒(méi)有漏氣、沒(méi)有摩擦,是不是就能制成第二類永動(dòng)機(jī)?要點(diǎn)提示不能。即使沒(méi)有摩擦、沒(méi)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(jī)械能,例如汽車排出氣體的溫度一定會(huì)比空氣的溫度高,它會(huì)向空氣散熱。所以說(shuō)第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。
知識(shí)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。(2)熱機(jī)的工作原理。工作物質(zhì)從熱庫(kù)吸收熱量Q1,推動(dòng)活塞做功W,然后排出廢氣,同時(shí)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。
(3)熱機(jī)的效率。把熱機(jī)做的功W與它從熱庫(kù)中吸收的熱量Q1的比值叫作熱機(jī)的效率,用η表示,有因?yàn)镼1=W+Q2,所以Q1>W,ηW。④熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%,即使是理想熱機(jī),沒(méi)有摩擦,也沒(méi)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(jī)械能,總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。
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)用于做機(jī)械功的熱量?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W

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