高二物理热力学第二定律粤教版知识精讲.docx

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【本讲教育信息】
一. 教学内容：
热力学其次定律
热力学其次定律的微观解释
能源和可持续进展
二. 学问归纳、总结：
〔一〕热力学其次定律
可逆与不行逆过程
热传导的方向性
热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进展，但相反方向却不能自发地进展， 即热传导具有方向性，是一个不行逆过程。
说明：
①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进展的自然过程。
②热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。
③要将热量从低温物体传向高温物体，必需有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。电冰箱、空调就是例子。
热力学其次定律的两种表述
①克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
②开尔文表述：不行能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
热机
热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸取热量 Q ，推动活塞做功 W，
1
然后向冷凝器释放热量Q 。
2
由能量守恒定律可得：
Q =W+Q
1 2
W
我们把热机做的功和它从热源吸取的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η=
Q
其次类永动机
①设想：只从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
②其次类永动机不行能制成，表示尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。
〔二〕热力学其次定律的微观解释
有序和无序
有序：只要确定了某种规章，符合这个规章的就叫做有序。无序：不符合某种确定规章的称为无序。
无序意味着各处都一样，平均、没有差异，有序则相反。
有序和无序是相对的。
宏观态和微观态
宏观态：符合某种规定、规章的状态，叫做热力学系统的宏观态。
微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规章的状态叫做这个宏观态的微观态。
系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。假设一个“宏观态” 对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也打算了宏观过程的方向性——从有序到无序。
热力学其次定律的微观意义
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进展。
熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态打算。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序〔 混乱〕程度的定量量度。
一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。 在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它状况，系统的熵可
能增加，也可能减小。
从微观的角度看，热力学其次定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态进展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向进展。
〔三〕能源和可持续进展
能量耗散：系统的内能流散到四周环境中，没有方法把这些内能收集起来加以利用， 这种现象叫做能量耗散。
品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。
能源：能源是指能够供给可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质根底。常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、自然气、水力等。
能源危机与环境污染
近一百年，地球人口由 16 亿增加到目前的 50 亿，净增了 2 倍多，而能源消耗据统计却增加了 16 倍。按目前的消耗量，专家推测石油、自然气最多只能维持半个世纪，煤炭尚可维持一二百年。
能源利用的过程也直接污染着地球环境
①温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量增高， 导致“温室效应”，造成地面温度上升，两极的冰雪溶化，海平面上升，漂浮沿海地区等不良影响。
②酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其 形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡。同时腐蚀建筑构造、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类安康。
③臭氧层的破坏：臭氧层的存在对吸取紫外线方面起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭 到破坏，对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照耀到地面上，会提高皮肤癌和白内障的发病率， 也会影响我们的免疫系统。同时对不同生态系统中生物的生长、发育、生殖、分布和生物地 球化学循环都会造成一系列危害。
能源的开发
能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步争论、开发和利用的能源， 如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。
无穷无尽的太阳能：太阳以其巨大的、无穷无尽的辐射能形式供给地球最清洁的
能源。
①数量巨大：×1026 瓦。×1010 吨标准煤，是目前全世界所消耗的各种能量总和的1×104 倍。
②时间长期：依据天文学的争论结果，可知太阳系已存在大约 5×109 年左右，估量尚可连续维持大约 1010 年之久。
③清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称，它不仅毫无污染，也毫无危急。
永葆青春的风能：风能是由于太阳辐射造成地球各局部受热不均匀，而引起的空气流淌所产生的能量。整个地球承受到的太阳能辐射能约有 %被转换成风能，全球的风能总量估量有 ×1022J。这是一个巨大的潜在的能源宝库，假设 1%被利用，即可满足人类对能量的全部需求。
丰富干净的海洋能：包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，它们不仅可以再生， 还具有不污染环境的优点。据科学家估量，世界海洋能源总量为40 多万亿千瓦，这些能量超过目前世界能源消费的一万倍，假设开发出其中一小局部，即可满足人类对能源的全部需求。
深藏不露的地热能：地球本身是一个巨大的自然储热库。地热能指地球内部可释放出来的热量。据估量，从地球内部每年传到地球外表的热量，相当于 370 亿吨标准煤燃烧时所放出的热量。
将来能源的期望——核能：在当前开发和利用的能源中，核能尤其重要。核能包括裂变能和聚变能，其中受控热核聚变的原料氘和氚可取自海洋，足够人类使用几十亿年，是 取之不尽的能源。
【典型例题】
例 1 以下所述过程是可逆的，还是不行逆的？
气缸与活塞的组合内装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间没有摩擦， 气体缓慢地膨胀时；
上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时；
上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时；
在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度上升；
在一传热容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，液体不停地搅动，可保持温度不变；
在一绝热容器内，不同温度的液体进展混合；
在一绝热容器内，不同温度的氦气进展混合； 解析：A. 发生自由膨胀，则是不行逆的；
有摩擦发生，也是不行逆的；
是标准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程。
这是做功变为热的过程，肯定不行逆。
此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不行逆过程。
液体的集中是不行逆过程。
有肯定温度差的热传导是不行逆过程。
友情提示：留意分析可逆与不行逆满足的条件。
例 2 一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率 1kW，×104kJ/h，×104kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J 电能，将放出3J 多热量。是指标错误还
是能量不守恒？
解析：都不是。空调制冷、制热靠压缩机做功，从室内〔室外〕吸取热量放到室外〔 室内〕。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外吸取的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违反热力学第肯定律，也不违反热力学其次定律。
友情提示：此题留意考察对热力学第肯定律，热力学其次定律的理解。
例 3 一个物体在粗糙的平面上滑动，最终停顿。系统的熵如何变化？
解析：由于物体由于受到摩擦力而停顿运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规章运动的程度，使得无规章运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。
友情提示：此题考察的是对熵增加原理的理解和应用。
例 4 某地的平均风速为 5m/s，空气密度是 ，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为 12m 的圆面，假设这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？
解析：首先可以求出在时间 t 内作用于风车的气流质量为 m=лr2υtρ，这些气流的
1 1
动能为 2 m υ 2 ； 转变的电能为 E = 2 mv2 ´10% ， 故风车带动发电机发电的功率为
E
1
pP = = p r 2 rv3 ´10%
t 2
代入数据以后得P=
友情提示：从能量守恒定律入手，留意能量转移的方向性是解答此题的关键。
【模拟试题】
以下关于能量转化的说法中，正确的选项是 〔 〕
机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能
机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能
机械能不行以转化为内能，但内能可以转化为机械能
机械能可以转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
关于其次类永动机，以下说法正确的选项是 〔 〕
它既不违反热力学第肯定律，也不违反热力学其次定律
它既违反了热力学第肯定律，也违反了热力学其次定律
它不违反热力学第肯定律，只违反热力学其次定律
它只违反热力学第肯定律，不违反热力学其次定律
以下关于热机的说法中，正确的选项是〔 〕
热机是把内能转化成机械能的装置
B 热机是把机械能转化为内能的装置.
C. 只要对内燃机不断进展革，它可以把气体的内能全部转化为机械能
D. 即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能
以下说法中正确的选项是〔 〕
一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
一切不违反能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的
由热力学其次定律可以推断物理过程能否自发进展
一切物理过程都不行能自发地进展
其次类永动机不行能制造出来的缘由是因其工作原理违反〔 〕
热力学第肯定律
能的转化与守恒定律
热力学其次定律
上述三个定律
热量会自发地从 物体传到 物体，而不能自发地从 物体传到 物体，这就是热传导的 性。
设想有这样一种热机，它没有冷凝器，只有第一热源，它从第一热源吸取的热量全部 用来做功，而不引起其它变化，设想中的这种热机叫 ，它 制成〔填“能” 或“不能”〕
肯定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化？
保持体积不变，将一个系统冷却，熵怎样变化？
试题答案
解析：由能的转化和守恒定律及能量守恒定律知各种形式的能量之间可以相互转化， 但是内能在转化为机械能的过程中，由于内能的各种耗散，内能不会完全转化为机械能。故 B、D 正确。
答案：BD
解析：其次类永动机仍旧遵循能量守恒定律，所以不违反热力学第肯定律，但能量的转化和转移具有肯定的方向性，它违反了热力学其次定律。应选C。
答案：C
解析：由热机的定义我们易推断A 正确；内燃机在工作时内能的损失有多种途径，所以内燃机不行能把气体的内能全部转化为机械能，D 正确。应选AD。
答案：AD
解析：由热力学第肯定律和热力学其次定律易推断A C 是正确的。答案：AC
解析：由其次类永动机的特点易推断C 是正确的。答案：C
解析：由热传导的特点来进展分析即可。答案：高温、低温、低温、高温、方向
解析：此题考察的是对其次类永动机的理解。答案：其次类永动机 不能
解析：气体被压缩过程中，体积减小，分子间的相对位置越来越确定，系统的无序程度越来越小，所以熵减小。
解析：系统冷却，温度降低，系统内分子无规章运动减弱，所以熵减小了。