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1、3.4热力学第二定律 学案学习目标1.了解热传导过程的方向性,通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析,了解归纳热力学第二定律的过程和方法2.了解热力学第二定律的两种不同表述,以及这两种表述的物理实质3.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题4.了解什么是能量耗散,知道能源是有限的【知识自主预习】预习知识点一:热力学第二定律物理观念 热现象中的方向性(1)热传导具有方向性:两个温度不同的物体相互接触时,热量会自发地从传给,而低温物体不能自发地将热量传给高温物体.要实现低温物体向高温物体传递热量,必须,因而产生其他影响或引起其他变化.(2)气体的
2、扩散现象具有方向性:两种不同的气体可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合气体,但这种均匀的混合气体不会自发地分开而成为两种不同的气体.(3)机械能和内能的转化过程具有方向性:物体在水平面上运动,因摩擦而逐渐停止下来,但不可能出现物体吸收原来传递出去的后在地面上重新运动起来.(4)气体向真空膨胀具有方向性:气体可以自发地向真空容器中膨胀,但不可能出现气体从容器中流出而使容器变为真空.(5)一切与热现象有关的宏观自然过程都是的.请看课本第5961页“热力学第二定律”相关内容,完成下列填空:(1)热力学第二定律的两种表述克劳修斯表述:热量不能从低温物体传到高温物体.表述阐述的是的方向性.开尔文表述:
3、 不可能从单一热库吸收,使之完全变成,而不产生其他影响.该表述阐述了的方向性.(2)热机热机是把内能转化为机械能的装置.其原理是热机从高温热源吸收热量Q1,推动活塞做功W,然后向低温热源释放热量Q2.由能量守恒定律可得:Q1=W+Q2.我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫作热机的效率,用表示,即=.热机的效率不可能达到.(3)热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是(选填“等价”或“不等价”)的.例1 (多选)关于热力学第二定律,下列说法正确的是()A.热量能够自发地从高温物体传到低温物体B.不可能使热量从低温物体传向高温物体C.从单一热源吸收热量,可以使之完全变成功D.气体向真空自
4、由膨胀的过程是不可逆过程变式 如图所示,两种不同的金属组成一个回路,接触头1置于热水杯中,接触头2置于冷水杯中,此时回路中电流计发生偏转,这是温差电现象.假设此过程电流做功为W,接触头1从热水中吸收的热量为Q1,冷水从接触头2吸收的热量为Q2,根据热力学第二定律可得()A.Q1=WB.Q1WC.Q1Q2D.Q1+Q2=W【练后归纳】1.对热力学第二定律的理解(1) “自发地”过程就是在不受外界干扰的条件下进行的自然过程.(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等.(3)热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可
5、能”,但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”,如果去掉这种前提条件,就都是有可能的.例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体,等温膨胀就是从单一热库吸收热量,使之完全用来做功,但不是自发地或是产生了其他影响.2.热力学第二定律的实质:热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.预习知识点二:热力学第一定律和热力学第二定律的比较和应用物理观念 (1)两定律的比较热力学第一定律热力学第二定律区别是能量守恒定律在热力学中的表现,否定了创造能量和消灭能量的可能性,从而否定了第一类永动机是关于在有限空间
6、和时间内,一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结,从而否定了第二类永动机联系两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律,二者既相互独立,又相互补充,都是热力学的理论基础(2)两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器从单一热源吸热,全部用来对外做功而不引起其他变化的机器违背能量守恒定律,不可能实现不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律,不可能实现科学态度与责任 地球上有大量的海水,它的总质量约为1.41018 t,如果这些海水的温度降低0.1 ,将要放出5.81023 J的热量,这相当于1800万个功率为100万千瓦
7、的核电站一年的发电量,这么巨大的能量,人们却不去开发研究是因为这种利用海水的内能发电的过程,违背了 ,不会研究成功.例2 下列关于能量转换过程的叙述,违背热力学第一定律的有,不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有.(填正确答案标号)A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B.冷水倒入保温杯后,冷水和杯子的温度都变得更低C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功,而不产生其他影响D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内变式 关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确的是()A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热力学第二定律
8、则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定律是相互矛盾的B.内能可以全部转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故两条定律并不矛盾C.两条定律都是有关能量转化的规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律预习知识点三:能源是有限的请看课本第6162页“能源是有限的”相关内容,完成下列填空:(1)能源:具有的容易利用的储能物质.(2)能量耗散:使用的能源转化成分散在环境中,不能自动聚集起来驱动机器做功,这样的转化过程叫作能量耗散.(3)能源的使用过程中虽然能的总量保持不变,但能量的下降了,减少了.例3 关于能量和能源,下列说法正确的
9、是()A.在能源利用的过程中,能量在数量上并未减少B.由于自然界中总的能量守恒,所以不需要节约能源C.能量耗散说明能量在转化过程中不断减少D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造【课堂探究】熵与熵增加原理熵用来描述一个系统的无序程度.根据熵的含义,热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性,因此,其熵值较小;当其达到平衡态后,其粒子热运动的无序性达到极高程度,其熵值达到最大值.从微观角度看,热力学第二定律是一个统计规律:对于不与外界进行物质和能量交换的一个孤立热力学系统而言,所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程,因此,总是朝着熵增加的方向进行,或者说,一个孤立系统总的熵
10、值总是不减少的,这就是熵增加原理,也就是热力学第二定律的另一种表述形式.熵增加原理的适用对象是孤立系统,如果是非孤立系统,熵有可能减少.示例下面关于熵的说法错误的是()A.熵是物体内分子运动无序程度的量度B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的D.熵值越大,代表系统分子运动越无序【巩固诊断】1.(热现象的方向性) 关于自然过程中的方向性,下列说法正确的是()A.摩擦生热的过程是可逆的B.凡是符合能量守恒定律的过程一般都是可逆的C.实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”D.空调既能制冷又能制热,说明热传递不存在方向性2.(热力学第二定律
11、)关于热力学第二定律,下列说法正确的是()A.热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律B.热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律C.热力学第二定律是物理学家从理论推导出来的结果D.热力学第二定律没有理论和实验的依据,因此没有实际意义3.(热力学定律的应用)(多选)下列说法中正确的是()A.第一类永动机不可能制成,因为它违背了能量守恒定律B.第二类永动机不可能制成,因为它违背了能量守恒定律C.热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的D.热力学第二定律的两种表述是等效的4.(热力学第二定律的应用)下列过程可能发生的是()A.某工作物质从高温热源吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有产生其他任何影响B.打开一高压密闭容器,其内气体自发溢出后又自发跑进去,恢复原状C.利用其他手段,使低温物体温度更低,高温物体的温度更高D.两瓶不同的液体自发混合,然后又自发地各自分开5.(能量与能源)下列说法中正确的是()A.自然界的能量总和是守恒的,因此节约能源毫无意义B.能量被使用后就消失了,所以要节约能源C.能源在使用过程中虽然能量的总量保持守恒,但能量的品质下降了,所以要节约能源D.能量耗散说明自然界的能量在不断减少