高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第三节 热力学第二定律完美版ppt课件

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两个温度不同的物体互相接触时，热量会自发地从高温物体传递给低温物体，最后两个物体温度相同达到热平衡，但人们从来没有发现过热量自发地从低温物体传递给高温物体，使两个物体的温差越来越大。
可见，热传导过程是有方向性的。热量从高温物体向低温物体的热传导过程是自发进行的。反过来，要使热量从低温物体传递给高温物体，则必须借助外界的作用。例如电冰箱在工作时(如图3-3-1所示)，
电冰箱压缩机会消耗电能，对冷却系统做功，不断地将热量从电冰箱内部的低温区传递到外部空气的高温区，来维持电冰箱内部的低温。而一旦切断电源，外界的热量就会自发地传递给电冰箱内部的低温区，使其温度升高。
二、机械能和内能转化的方向性
一个在水平面上运动的物体，如果在水平方向上仅受摩擦力的作用，由于克服摩擦力做功，其最后总会停下来。在这个过程中，物体的机械能全部转化为内能，使该物体和水平面的温度升高，相反，人们从来没有发现过一个静止在水平面上的物体，能通过自行降低温度而运动起来，尽管这个过程并不违反能量守恒定律。
机械能和内能的转化过程也是有方向性的。机械能可以全部转化为内能，内能却无法全部用来做功以转化为机械能，而不产生其他影响。
例如，汽车、轮船、飞机等交通工具使用的发动机都是热机。
热机的工作原理可以看作是燃烧燃料将化学能转化为工作物质的内能，工作物质通过体积膨胀对外做功把内能转化为机械能。热机要连续工作，需要不断循环。因此工作物质体积膨胀后，还需要被压缩恢复到原有体积，才能形成循环，这就需要外界做一定的功。所以，在一个循环过程中，热机的效率不可能达到100%，也就是说，要想将内能全部用来做功以转化为机械能而不产生其他影响是不可能的。
历史上曾经有人设想制造一种热机，让它从单一热源吸收热量并全部用来做功，把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达到100%，这种想象中的热机被称为第二类永动机、这类永动机并不违反能量守恒定律，但是，由于内能全部转化为机械能而不产生其他影响是不可能的，因此第二类永动机是不可能制造出来的。
有人设想如图3-3-2所示的装置(假设活塞与缸壁无摩擦），并提出“理想气体可从单一热源吸热并进行等温膨胀，从而实现百分之百对外做功”。这引发了同学们的争论：有同学认为是可能实现的，有的同学则认为不可能。你赞同哪一种观点？为什么？
从表面上看，因为理想气体在等温膨胀过程中，其温度不变，内能不变，如果不存在摩擦力，则吸收的热量可以全部对外做功，但需要指出的是，根据气体实验定律，如果气体进行等温膨胀，即气体温度不变，体积增大，则气体压强应减小。而从图3-3-2中可知，该气体压强是恒定的。显然该气体是不可能进行等温膨胀的。事实上，该过程是一个等压膨胀的过程，气体压强不变，体积增大，温度升高，内能增大，气体吸收的热量不可能百分之百对外做功。
两种不同的气体可以自发地混合，最后成为一种均匀的混合气体。相反，一种均匀的混合气体却不会自发地分开成为两种气体。当然，使用物理或化学方法可以把混合气体分开，但这必然会产生其他影响。
如图3-3-3所示是两个可以连通的容器、容器A中装K有气体、容器B是真空、打开阀门K、容器A中的气体会自A B发地向容器B中扩散，最后两个容器都充满压强相等的气体，这个过程被称为气体的自由膨胀、但气体不会自发地从容器B流回容器A、最后使容器B恢复成真空、当然，用抽气机把容器B中的气体抽到容器A中，可以使容器B恢复成真空。但是，这要借助于抽气机的帮助、也就是产生了其他影响。
自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性、物理学家分析了大量的自然现象，从不同的角度考察了不同的宏观过程的方向性，确立了热力学第二定律，给出了热力学第二定律的多种表述。下面介绍常见的两种表述形式。
最早提出并沿用至今的热力学第二定律的表述是1850年由德国物理学家克劳修斯提出的：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。或者说，不可能使热量由低温物体传递到高温物体、而不引起其他变化。这就是热力学第二定律的克劳修斯表述。显然，克劳修斯是按照热传导的方向性来表述热力学第二定律的。
1851年，英国物理学家开尔文提出了热力学第二定律的另一表述，即开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他影响、这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的。这两种表述是等价的、可以从一种表述导出另一种表述，所以它们都被称为热力学第二定律。
热力学第二定律揭示了自然界宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要的自然规律、热力学第二定律在物理、化学、生物等学科中有重要的应用，它对于我们认识自然、利用自然有着重要的指导意义。
1.根据热力学知识，下列说法错误的是（　　）A．雨水没有透过布雨伞是因为液体表面存在张力B．0℃的冰中的水分子和0℃的液态水中的水分子平均动能相同C．用阿伏加德罗常数和某种气体的密度，就可以求出该种气体的分子质量D．寒冷的冬天，利用室内和室外之间的温度差制造一种热机，将空气中的一部分内能转化为机械能是可能的
2.关于能量转化的方向性下列说法中正确的是（　　）A．凡是能量守恒的过程就一定会发生能量的转化B．摩擦生热的过程是不可逆过程C．由于能量的转化过程遵守能量守恒定律，所以不会发生能源危机D．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性
3.关于热现象，下列说法正确的是（　　）A．热量不能从低温物体传到高温物体B．两分子间距离增大，分子势能一定增大C．布朗运动就是液体分子的无规则运动D．物体吸收热量温度不一定增加
4.关于热现象，下列叙述正确的是（       ）A．温度降低，物体内所有分子运动的速度一定都变小B．分子力随分子间距离的增大而减小C．凡是不违背能量守恒定律的实验构想，都是能够实现的D．任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化成机械能
5.下列说法正确的是（　　）A．布朗运动就是分子的无规则运动B．分子力做功的多少与分子移动的路径有关C．浸润液体在细管中上升或者不浸润液体在细管中下降的现象均可称为毛细现象D．通中浑浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离，这违背了热力学第二定律
6.下列说法不正确的是（　　）A．一定质量的气体，在体积不变时，分子每秒与器壁平均碰撞次数随着温度降低而减少B．晶体熔化时吸收热量，分子平均动能一定增大C．空调既能制热又能制冷，说明在不自发地条件下热传递方向性可以逆向D．生产半导体器件时，需要在纯净的半导体材料中掺入其他元素，可以在高温条件下利用分子的扩散来完成
7.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展面“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（　　）A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
8.下列关于能量转移和转化的方向性的说法中，正确的是（　　）A．在自然界中所有能量都能利用B．能量的利用是无条件的，也是无代价的C．物体发生热传递时，热传递的方向从高温物体到低温物体D．物体发生热传递时，热传递的方向从内能多的物体到内能少的物体。
9.小华为参加电视台《异想天开》节目，提出了下列4个设想方案，从理论上讲可行的是（　　）A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功B．将屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题C．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下D．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发分离，既清洁了空气，又变废为宝
10.酸雨对植物的正常生长影响很大，为了减少酸雨的影响，应采取的措施是（　　）①少用煤作燃料②燃料脱硫③在已经酸化的土壤中加石灰④多种植美人蕉、银杏等植物⑤开发新能源⑥多种植法国梧桐、柠檬等植物A．①②④⑤B．①②⑤⑥C．①②③④⑤D．①②③⑤⑥
2.机械能和内能转化的方向性
1.下列说法正确的（　　）A．在绕地球飞行的宇宙飞船中，自由飘浮的水滴呈球形，这是表面张力作用的结果B．当分子间距离增大时，分子间作用力减小，分子势能增大C．液晶显示屏是应用液晶的光学各向异性的特点制成的D．热量能够自发地从高温物体传到低温物体，也能自发地从低温物体传到高温物体E．自然界发生的一切过程能量都守恒，符合热力学第二定律的宏观过程都能自然发生
2.如图所示，有一绝热容器，右半边贮有理想气体，左半边是真空，中间用一挡板隔住。若把挡板抽开，右边气体将向左边膨胀，最后气体将均匀分布在整个容器中，下列说法正确的是（　　）A．气体对外做功，内能减小B．气体温度不变，压强减小C．气体分子单位时间对器壁的碰撞次数减少D．根据热力学第二定律，插上挡板，挡板左侧不能形成真空E．抽去挡板后，气体分子的无序程度减小
3.下列说法正确的是（　　）A．布朗运动就是分子的运动B．质量一定的理想气体，内能只与温度有关C．用气筒给自行车轮胎打气费力的主要原因是分子间存在斥力D．干泡温度计和湿泡温度计示数的差值越大说明相对湿度越小E．冰箱工作时将箱内的热量散发到箱外不违背热力学第二定律
4.关于一些热学现象的物理解释，下列说法正确的是（　　）A．树叶上露珠呈球形是水的表面张力作用的结果B．当人们感到潮湿时，水蒸发慢，空气的绝对湿度一定较大C．空调既能制热又能制冷，说明热量可以从低温物体向高温物体传递D．在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变E．彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点
5.下列说法正确的是（     ）A．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的状态向无序程度大的状态转化的过程B．扫地时，在阳光照射下，看到尘埃飞舞，这是尘埃在做布朗运动C．物理性质表现为各向同性的固体不一定是非晶体D．饱和汽压只跟汽体的自身性质与温度有关E．液晶具有光学各向异性，所以液晶是晶体