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2019-2020年高中物理《熱力學(xué)第二定律》教案3 新人教版選修3-3 【基礎(chǔ)知識精講】 知識框圖 項目 內(nèi)容 說明或提示 熱傳導(dǎo)的方向性 熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 要將熱量從低溫物體傳給高溫物體，必須有外界的幫助，即從外界對其做功 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能過程的方向性 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化 第二類永動機(jī)不可能實(shí)現(xiàn) 熱力學(xué)第二定律 有兩種表述：①熱量不可能自動地從低溫物體傳向高溫物體.②不可能從單一熱源吸收熱量并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣? 熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的 熱力學(xué)第一定律是能的轉(zhuǎn)化和守恒在熱力學(xué)過程的體現(xiàn)，它對自然過程沒有條件和方向的限制，只指出在任何力學(xué)過程中能量不會有任何增加或損失，而熱力學(xué)第二定律是獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律的另一條基本規(guī)律，它反映過程進(jìn)行方向的規(guī)律，即解決哪些過程可以發(fā)生，要注意理清二者的關(guān)系，比如，遵守動量守恒的碰撞結(jié)果是多種多樣的，但是否可能，尚需受能量規(guī)律的制約. 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的.自然界中各種不可逆過程都是互相關(guān)聯(lián)的，即由某一過程的不可逆性，可推斷另一過程的不可逆性.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述，說明功變熱的過程是不可逆的.而克勞修斯表述，指出熱傳導(dǎo)過程是不可逆的，這兩種表述實(shí)際上分別挑選了一種典型的不可逆過程，由于各種不可逆過程都是互相關(guān)聯(lián)的，所以每一個不可逆過程都可以選為表述熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ). 學(xué)習(xí)中注意按教材的編排順序，先由熱傳導(dǎo)的方向性、功變熱自發(fā)性地表現(xiàn)出方向性，而逆過來是不可自發(fā)地實(shí)現(xiàn)的，所以理解方向性，要把握好“自發(fā)地”這個前提，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%和第二類永動機(jī)不可能制成，充分表明機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性. 熱力學(xué)第二定律又有各種不同表述.例如，“不可能造成第二類永動機(jī)”，“熱效率為100%的熱機(jī)是不可能造成的”，“熱傳導(dǎo)，摩擦產(chǎn)生的熱現(xiàn)象是不可逆的”，“不需要由外加功而可操作的致冷機(jī)是不可能造成的”，不論何種表述法，我們可以證明其內(nèi)容彼此相同，其內(nèi)容不外是主張不可逆變化的存在. 能量耗散從能量角度揭示一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程是不可逆的. 【重點(diǎn)難點(diǎn)解析】 重點(diǎn) 理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述內(nèi)容及物理實(shí)質(zhì). 難點(diǎn) 第二類永動機(jī)與第一類永動機(jī)的區(qū)別，解釋第二類永動機(jī)不可能制成. 沒有能源而“自己”能作功的機(jī)器是不可能制成的，但能否設(shè)計一種機(jī)器依靠冷卻海水來做功呢?很容易算出，將海水冷卻一度放出的能量，足夠人類用幾萬年，這有著非常誘人的前景. 解析 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，不論什么形式的熱機(jī)，必須能產(chǎn)生溫度差才能做功，即任何一種熱機(jī)都必須具有“供熱裝置”和“冷凝器”兩部分，例如機(jī)車的供熱裝置是鍋爐，而冷凝器就是大氣，海水雖然可看作是一個巨大的供熱裝置，但是為了利用它的能量作功，必須有相應(yīng)的冷卻裝置，這種巨大的冷凝器我們是沒有辦法提供的，所以這種機(jī)器我們無法制造. 【難題巧解點(diǎn)撥】 例 熱力學(xué)第一定律的敘述能否包括熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容? 解析 熱力學(xué)第二定律不是由第一定律推演出來的，而是自然界的又一個獨(dú)立的定律，它涉及的問題不同于第一定律所涉及的范圍，它是第一定律的補(bǔ)充. ①第一定律只指出了效率η≯100%，第二定律指出的是效率η≠100%，說明功可以全部變?yōu)闊幔鵁崃坎荒芡ㄟ^一循環(huán)全部變?yōu)楣?，即機(jī)械能和內(nèi)能是有區(qū)別的. ②第一定律指出了熱功等效和轉(zhuǎn)換關(guān)系，指出任何過程中能量必須守恒，第二定律指出的是，并非所有能量守恒過程都能實(shí)現(xiàn)，低溫?zé)嵩吹臒崃烤筒荒茏詣拥貍飨蚋邷責(zé)嵩?，揭示了過程進(jìn)行的方向和條件. ③第一定律沒有溫度的概念.第二定律中有了溫度的概念，提出了在高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹膯栴}，提出了不同溫差下，相同的熱量的效果是不一樣的，有必要加以區(qū)分. 【典型熱點(diǎn)考題】 例 根據(jù)熱力學(xué)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(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔? C.熱機(jī)中，燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能 D.在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體 答案 選BCD. 【同步練習(xí)】 1.下列所述過程是可逆的，還是不可逆的? (1)汽缸與活塞組合中裝有氣體，當(dāng)活塞上沒有外加壓力，活塞與汽缸間沒有摩擦?xí)r. (2)上述裝置，當(dāng)活塞上沒有外加壓力，活塞與汽缸上摩擦很大，使氣體緩慢地膨脹時. (3)上述裝置，沒有摩擦，但調(diào)整外加壓力，使氣體能緩慢地膨脹時. (4)在一絕熱容器內(nèi)盛有液體，不停地攪動它，使它溫度升高. (5)一傳熱的容器內(nèi)盛有液體，容器放在一恒溫的大水池內(nèi)，液體不停地攪動，可保持溫度不變. (6)在一絕熱容器內(nèi)，不同種類的液體進(jìn)行混合. (7)在一絕熱容器內(nèi)，不同溫度的氦氣進(jìn)行混合. 2.根據(jù)熱力學(xué)第二定律判別下面的兩種說法是否正確. (1)功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，但熱不能全部轉(zhuǎn)化為功. (2)熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體. 3.第二類永動機(jī)不可以制成，是因為( ) A.違背了能量的守恒定律 B.熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體 C.機(jī)械能不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 D.內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時不引起其他變化 4.第二類永動機(jī)不可能制成，表示 能和 能的轉(zhuǎn)化過程具有 性. 【生活實(shí)際運(yùn)用】 分析電冰箱的工作原理，說明它并不違反熱力學(xué)第二定律. 參考答案： 【同步練習(xí)】 1.(1)發(fā)生自由膨脹，則是不可逆過程. (2)有摩擦發(fā)生，也是不可逆過程. (3)是準(zhǔn)靜態(tài)無摩擦的膨脹，則為可逆過程. (4)這是由功變?yōu)闊?，是不可逆過程. (5)此過程中既有“功變熱”又有“熱傳導(dǎo)”，也是不可逆過程. (6)液體的擴(kuò)散是不可逆過程. (7)有一定溫度差的熱傳導(dǎo)也是不可逆過程. 2.兩種說法均不正確. 3.D 4.機(jī)械 內(nèi) 方向 【生活實(shí)際運(yùn)用】 電冰箱內(nèi)部的溫度比外部低，但是致冷系統(tǒng)還能不斷地把箱內(nèi)的熱量傳給外界的空氣，這是因為電冰箱消耗了電能，對致冷系統(tǒng)做了功.這個過程不是自發(fā)進(jìn)行的，它引起了其他變化，即消耗了電源的電能，因此它不違反熱力學(xué)第二定律。