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文檔簡(jiǎn)介

4.

熱力學(xué)第二定律人教版(2019)物理(選擇性必修第三冊(cè))第三章

熱力學(xué)定律目錄素養(yǎng)目標(biāo)01課程導(dǎo)入02新課講解03總結(jié)歸納04課堂練習(xí)05正確教育素養(yǎng)目標(biāo)1.通過對(duì)自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程方向性的實(shí)例分析,了解歸納熱力學(xué)第二定律的過程和方法

2.能用熱力學(xué)第二定律解釋常見的不可逆過程,即自然界中的能量轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)移以及方向性問題3.了解能量與能源的區(qū)別以及能源的有限性

一滴紅色顏料滴進(jìn)一杯清水中擴(kuò)散,整杯水將均勻地變紅。從系統(tǒng)的角度來看,擴(kuò)散之前是一種狀態(tài),擴(kuò)散后是另一種狀態(tài)。那么,水中擴(kuò)散后的顏料能否自發(fā)地重新聚集在一起,而其余部分又變成清水?將一塊燒紅的鐵塊投入冷水中,會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象?鐵塊的溫度降低,水的溫度升高,最終兩者溫度相同。會(huì)不會(huì)出現(xiàn)鐵塊溫度更高,水的溫度更低的情況?正確教育宏觀自然過程的方向性衣服不整理就會(huì)很散亂思考一些事件的發(fā)展過程是不是具有方向性、不可逆性?水往低處流擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行是有方向的,過程是不可逆的。(微觀)

把剛煮好的熱雞蛋放在冷水中,過一會(huì)幾,雞蛋的溫度降低,水的溫度什高,最后水和雞蛋的溫度相同。是否可能發(fā)生這樣的現(xiàn)象:原來溫度相同的水和雞蛋過一會(huì)兒水的溫度自發(fā)的降低而雞蛋溫度自發(fā)上升,生蛋變成熟蛋?你能得出什么結(jié)論?熱量自發(fā)地由高溫物體向低溫物體傳遞的過程是不可逆的。(宏觀)思考

電冰箱的內(nèi)部溫度比外部溫度低,為什么致冷系統(tǒng)還能不斷地把箱內(nèi)熱量傳給外界的空氣?電冰箱制冷系統(tǒng)貯藏的食品大氣熱量熱量電源做功熱傳導(dǎo)的方向性

熱傳導(dǎo)的過程是有方向性的,這個(gè)過程可以向一個(gè)方向自發(fā)地進(jìn)行,但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進(jìn)行。

要實(shí)現(xiàn)相反方向的過程,必須借助外界的幫助,因而產(chǎn)生其它影響或引起其它變化。機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性一個(gè)在水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體,由于克服摩擦力做功,最后要停下來。在這個(gè)過程中,物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能,使物體和地面的溫度升高。思考

我們能不能看到這樣的現(xiàn)象:一個(gè)放在水平地面上的物體,靠降低溫度,可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來。物體間的傳熱氣體的膨脹擴(kuò)散現(xiàn)象有摩擦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)熱現(xiàn)象特定的方向溫度由高到低體積由小到大密度由密到疏由機(jī)械能到內(nèi)能反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律正確教育熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律在物理學(xué)中,反映宏觀自然過程的方向性的定律。①熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述:熱量不能自發(fā)從低溫物體傳到高溫物體。②熱力學(xué)第二定律的開爾文表述:不可能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。開爾文克勞修斯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.對(duì)“自發(fā)”的理解:不需要第三者介入、也不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生影響。高溫自發(fā)低溫不能自發(fā)克勞修斯表述指明熱傳導(dǎo)過程是不可逆的熱力學(xué)第二定律柴油機(jī)汽缸燃料的化學(xué)能工作物質(zhì)的內(nèi)能機(jī)械能對(duì)外做功燃燒燃料產(chǎn)生的熱量Q輸出機(jī)械功W漏氣熱損散熱熱損摩擦熱損W

<Q思考:假設(shè)能避免這些損失,熱機(jī)燃料產(chǎn)生的熱量

Q=W?熱力學(xué)第二定律高溫?zé)釒斓蜏責(zé)釒霶W燃料在燃燒(高溫物體)冷凝器或大氣(低溫物體)自發(fā)

熱機(jī)在工作過程中必然排出部分熱量,熱機(jī)用于做功的熱量一定小于它從高溫?zé)釒煳盏臒崃浚碬

<Q熱力學(xué)第二定律①熱機(jī)的效率無法達(dá)到100%,總會(huì)有損耗。機(jī)械能內(nèi)能(熱)全部轉(zhuǎn)化(自發(fā))對(duì)第三者有影響②機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性:1.人們常用空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的溫度,下列說法正確的是()A.空調(diào)風(fēng)速越大,室內(nèi)空氣的分子動(dòng)能也越大B.空調(diào)過濾器能夠吸附PM2.5顆粒,此顆粒的運(yùn)動(dòng)是分子熱運(yùn)動(dòng)C.空調(diào)既能制熱又能制冷,說明熱傳遞不存在方向性D.空調(diào)制熱使得室內(nèi)溫度上升,則速率小的空氣分子比例減小經(jīng)典例題D答案:D解析:A.室內(nèi)空氣的分子動(dòng)能只與溫度有關(guān),與空調(diào)風(fēng)速無關(guān),故A錯(cuò)誤;B.空調(diào)過濾器能夠吸附PM2.5顆粒,PM2.5顆粒是肉眼看不見的固體小顆粒,做的是布朗運(yùn)動(dòng),不是分子熱運(yùn)動(dòng),故B錯(cuò)誤。C.空調(diào)既能制熱又能制冷,說明在不自發(fā)地條件下熱傳遞方向可以逆向,不違背熱力學(xué)第二定律,故C錯(cuò)誤;D.空調(diào)制熱使得室內(nèi)溫度上升,根據(jù)溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,所以速率小的空氣分子比例減小,故D正確;2.有關(guān)熱的現(xiàn)象和規(guī)律,下列說法正確的是()A.電冰箱工作時(shí)把熱量由溫度較低的箱內(nèi)傳遞到箱外,違背了熱力學(xué)第二定律B.用打氣筒給自行車打氣,越來越費(fèi)勁,說明氣體分子間表現(xiàn)為斥力C.氣體的溫度升高,每個(gè)氣體分子運(yùn)動(dòng)的速率都增大D.一定質(zhì)量的理想氣體,經(jīng)歷絕熱壓縮過程,氣體分子的平均動(dòng)能增大經(jīng)典例題D答案:D解析:A.電冰箱工作時(shí)把熱量由溫度較低的箱內(nèi)傳遞到箱外消耗了電能,沒有違背熱力學(xué)第二定律,故A錯(cuò)誤;B.用打氣簡(jiǎn)給自行車打氣,越來越費(fèi)勁是因?yàn)樽孕熊囕喬?nèi)氣體的壓強(qiáng)在逐漸增大,而不是體分子間的斥力造成的;故B錯(cuò)誤;C.氣體的溫度升高,分子的平均動(dòng)能增大,并不是每個(gè)氣體分子運(yùn)動(dòng)的速率都增大,故C錯(cuò)誤;D.一定質(zhì)量的理想氣體,經(jīng)歷絕熱壓縮過程,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w的內(nèi)能增加,分子的平均動(dòng)能增大,故D正確。正確教育能量是有限的

自然界的一切變化,人類社會(huì)的所有活動(dòng),都伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化,能量是一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的源泉,是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。柴薪時(shí)期煤炭時(shí)期石油時(shí)期能量耗散能源的使用過程中雖然能量的總量保持守恒,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。機(jī)械能、電能、光能、聲能、化學(xué)能、核能、生物能……最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,流散到周圍環(huán)境中,無法重新自動(dòng)聚集起來加以利用的現(xiàn)象。是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì)。能源

有可能制成第二類永動(dòng)機(jī)嗎?地球上海水的總質(zhì)量達(dá)1,4×102kg。如果制造一種機(jī)器,把這些海水的溫度降低1℃,放出的熱量就達(dá)9×10“kW-h,足夠全世界使用4000年。這個(gè)設(shè)想不違背能量守恒定律,但是不能實(shí)現(xiàn),所以這類機(jī)器叫做第二類永動(dòng)機(jī)。前面學(xué)到的,違背能量守恒定律的永動(dòng)機(jī),叫做第一類永動(dòng)機(jī)。學(xué)過熱力學(xué)第二定律之后,你能說出為什么不能制成第二類永動(dòng)機(jī)嗎?熱力學(xué)第二定律的另一種表述就是:第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成拓展:第二類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī):只從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成:這類熱機(jī)雖然不違背能量守恒定律,但因?yàn)闄C(jī)械能和內(nèi)能具有方向性,熱機(jī)在工作過程中要排除部分能量,所以第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。熱力學(xué)第二定律的一種特殊表述:第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成根據(jù)熱力學(xué)第二定律,分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大,它也只不過能使地球、大氣變的稍暖一點(diǎn),卻不能自動(dòng)聚集起來驅(qū)動(dòng)機(jī)器,這樣的轉(zhuǎn)化過程叫做“能量耗散”,雖然能量的總量保持不變,但能源會(huì)逐漸減少,因此能源是有限的資源,要節(jié)約能源。學(xué)生活動(dòng)1:閱讀61頁到62頁“能源是有限的”部分學(xué)生活動(dòng)2:課本62-63頁拓展學(xué)習(xí)部分內(nèi)容,回答問題:(1)什么是“有序狀態(tài)”,什么是“無序狀態(tài)”以氣體氣體膨脹為例:相對(duì)于膨脹后的狀態(tài),物理學(xué)中把氣體膨脹前的狀態(tài)叫作有序狀態(tài),而氣體自由膨脹后的狀態(tài)變得更混亂與無序,是無序狀態(tài)。(2)什么是“熵”?在統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中,熱力學(xué)熵被解釋為系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)的無序度(混亂度)。(3)熵增原理內(nèi)容?在自發(fā)過程中,系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展,即一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的,這就是熵增加原理。從微觀的角度看,熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律:一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展,而熵值較大代表著較為無序,所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展。

(4)熵的應(yīng)用熵的概念現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于信息學(xué)、天體物理學(xué)、生命科學(xué)、社會(huì)學(xué),行政管理等領(lǐng)域,在不同的學(xué)科中也有引申出的更為具體的定義。拓展:熵增熵及熵增加原理1.熵:熵可用來表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)的無序程度,系統(tǒng)從有序向無序的發(fā)展過程中熵在增加。2.熵增加原理:在自發(fā)過程中,系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展,即一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的。3.下列說法正確的是()A.人的學(xué)習(xí)過程隨著知識(shí)的逐漸積累,引起認(rèn)知系統(tǒng)總熵值減小B.人的學(xué)習(xí)過程隨著知識(shí)的逐漸積累,引起認(rèn)知系統(tǒng)總熵值增加C.因?yàn)槟芰渴睾悖詿o需節(jié)約能源D.熱機(jī)中的內(nèi)能可以全部用來做功經(jīng)典例題A答案:A解析:AB.孤立系統(tǒng)的一切自發(fā)過程均向著其微觀狀態(tài)更無序的方向發(fā)展,微觀狀態(tài)越混亂,則該系統(tǒng)的嫡值越大,反之越小,人的學(xué)習(xí)過程隨著知識(shí)的逐漸積累,是一個(gè)由無序到有序的過程,故總嫡值減小,故A正確,B錯(cuò)誤;C.能量守恒,但是有的能源是不可再生的,仍需節(jié)約能源,故C錯(cuò)誤;D.熱機(jī)的效率不可能達(dá)到百分之百,所以熱機(jī)中的內(nèi)能不可以全部用來做功,故D錯(cuò)誤。熱力學(xué)第二定律宏觀自然過程的方向性熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述熱力學(xué)第二定律開爾文表述能源是有限的第二類永動(dòng)機(jī)熵和熵增加原理關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說法正確的是()A.氣體吸收熱量后,內(nèi)能一定增大B.熱量可能從低溫物體傳遞到高溫物體C.空調(diào)機(jī)既能制熱又能制冷,說明熱傳遞不存在方向性D.沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機(jī),其效率可能是100%B答案:B解析:根據(jù)

氣體吸收熱量后,物體對(duì)外做功內(nèi)能可能不變,A錯(cuò)誤B.根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體,但不能自發(fā)的從低溫物體到高溫物體,B正確C.空調(diào)機(jī)在制冷時(shí),熱量從低溫物體傳向高溫物體,在電機(jī)做功的情況下。所以熱傳遞存在方向性,C錯(cuò)誤D.雖然沒有漏氣和摩擦,但是會(huì)有熱傳遞,效率不會(huì)100%,D錯(cuò)誤故選B。下列說法正確的是()A.花粉顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)證明花粉分子在做永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)B.氣體很難被壓縮證明氣體分子間存在相互作用的斥力C.第二類永動(dòng)機(jī)無法實(shí)現(xiàn)是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律D.液體由于表面張力呈收縮趨勢(shì)是因?yàn)楸韺臃肿娱g距大于內(nèi)部分子間距D答案:D解析:A.花粉顆粒在液體中的布朗運(yùn)動(dòng)只能說明液體分子在做無規(guī)則運(yùn)動(dòng),不能說明花粉分子在做無規(guī)則運(yùn)動(dòng),故A錯(cuò)誤;B.氣體很難被壓縮是由于氣體壓強(qiáng)的原因,故B錯(cuò)誤;C.第二類永動(dòng)機(jī)雖然不違反能量守恒定律,但它違背了熱力學(xué)第二定律,所以是制造不出來的,故C錯(cuò)誤;D.由于液體表面層分子間距離大于液體內(nèi)部分子間的距離,液面分子的引力大于斥力,整體表現(xiàn)為引力,所以液體表面具有收縮的趨勢(shì),故D正確。以下現(xiàn)象違背熱力學(xué)第二定律的有()A.一杯熱茶在打開蓋后,茶會(huì)自動(dòng)變涼B.沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機(jī),其效率可能是100%C.桶中渾濁的泥水在靜置一段時(shí)間后,泥沙下沉,上面的水變清,泥、水自動(dòng)分離D.在地面上運(yùn)動(dòng)的物體逐漸停下來,機(jī)械能全部變?yōu)閮?nèi)能B答案:B解析:A.熱茶自動(dòng)變涼是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體,故A正確;B.任何熱機(jī)效率都不可能達(dá)到100%,故B錯(cuò)誤;C.泥、水分離是機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,故C正確;D.物體因摩擦力而停下來,是機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,是自發(fā)過程,故D正確。故選B。(多選)關(guān)于能量和能量耗散,下列說法中正確的是()A.能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中客觀過程的方向性B.能量耗散表明能源的利用是有條件的,也是有代價(jià)的C.

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