熱力學(xué)第二定律

【教學(xué)目標(biāo)】

一、知識與技能

1.了解熱傳導(dǎo)過程的方向性。

2.了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及這兩種表述的物理實(shí)質(zhì)。

3.了解什么是能量耗散，知道能源是有限的。

二、過程與方法

培養(yǎng)學(xué)生通過日常生活現(xiàn)象概括物理規(guī)律的能力。

三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀

通過熱力學(xué)第二定律的教學(xué)，教育學(xué)生要有效地利用自然界提供的各種能源，必須

遵循自然界的規(guī)律。

【教學(xué)重難點(diǎn)】

熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實(shí)質(zhì)。

【教學(xué)過程】

一、新課導(dǎo)入

教師：地球上海水的總質(zhì)量約為1.4X1011當(dāng)海水的溫度降低0.1C,放出多少焦

的熱量？

假設(shè)每個(gè)核電站的功率為MX）萬千瓦，則這些熱量相當(dāng)于多少個(gè)這樣的電站一年的

發(fā)電量？

得到：這些海水的溫度降低0.1℃,能放出5.8X1023J的熱量，這相當(dāng)于1800萬個(gè)

功率為100萬千瓦的核電站一年的發(fā)電量。

教師：既然海水能放出這么多的能量，為什么人們不去研究這種新能源呢？原來這

樣做是不可能的，這涉及到物理學(xué)的一個(gè)基本定律，這就是本節(jié)要學(xué)習(xí)的熱力學(xué)第二定

律。

二、新課教學(xué)

（一）熱力學(xué)第二定律

1.熱力學(xué)第二定律的一種表述---克勞修斯表述（熱傳導(dǎo)的方向性）

［問］兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí)，將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

［學(xué)生］兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí)，熱量將從高溫物體傳給低溫物體，使高

溫物體溫度降低，低溫物體溫度升高。

［教師］上述過程中熱量是自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體的，我們所說的“自發(fā)

地”指的是沒有任何的外界影響或者幫助。

［問］那么，同學(xué)們見過熱量從低溫物體傳給高溫物體的實(shí)例嗎？

［學(xué)生］電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體。

［教師］電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，在該過程中電冰箱要消耗電

能，一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱

量會自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高。

［總結(jié)］上述實(shí)例說明，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，因而要產(chǎn)生其他影響或引起其他變化。

思考：均勻混合的空氣與漠氣過一段時(shí)間會不會自發(fā)地變的界線分明？

說明：氣體擴(kuò)散具有方向性

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。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。

有人提出這樣一種設(shè)想，發(fā)明一種熱機(jī)，用它把物體與地面摩擦所生的熱量都吸收

過來并對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使因摩擦停止運(yùn)動(dòng)的物體在地面上重新運(yùn)

動(dòng)起來，而不引起其它變化。

分析一下，可以做到嗎？

上述現(xiàn)象的共同特征：

一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。

在物理學(xué)中，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。

熱力學(xué)第二定律的一種表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。

這是德國物理學(xué)家克勞修斯提出的，稱為熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。它闡述

了熱傳導(dǎo)的方向性。

說明：

（1）在不引起其它的變化的條件下，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。

（2）熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，但會引起其它變化，比如冷機(jī)做功。

2.熱力學(xué)第二定律的另一種表述一一開爾文表述（機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性）

［問］一個(gè)在水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體，撤去外力作用后，為什么會停下來？在這個(gè)

過程中，能量是如何轉(zhuǎn)化的？

［學(xué)生］在水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體，撒去外力后，由于克服摩擦力做功，所以最后

會停下來；在上述過程中，物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

［教師］現(xiàn)在，我們假想：發(fā)明一種熱機(jī)，用它把物體與地面摩擦所生的熱量都吸

收過來，并用來對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使因摩擦停止運(yùn)動(dòng)的物體在地面

上重新運(yùn)動(dòng)起來，而不引起其他變化，這是否可能？

［教師總結(jié)］我們得到：實(shí)際上，熱機(jī)不能把它得到的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因?yàn)闊?/p>

機(jī)必須有熱源和冷凝器，熱機(jī)工作時(shí)，總要向冷凝器放熱，不可避免地要由工作物質(zhì)帶

走一部分熱量Q,即使是理想熱機(jī)，沒有摩擦，也沒有漏氣等能量損失，它也不可能把

吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。

［教師］人們把從單一熱源吸收的熱量，可以全部用來做功而不引起其他變化的熱

機(jī)叫第二類永動(dòng)機(jī)。

第二類永動(dòng)機(jī)雖不違背守恒定律，但是也失敗了。

第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，表示機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，也就是說機(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，同時(shí)不引起其他變化。

熱力學(xué)第二定律的另一種表述：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。

這是開爾文提出的，稱為熱力學(xué)第二定律的開爾文表述。它闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)

化的方向性。

說明：

（1）不僅要從一個(gè)熱庫吸熱，而且一定會向另一個(gè)熱庫放熱。

（2）機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但這個(gè)過程是不可逆的,

教師：強(qiáng)調(diào)指出，熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的。

3.熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的關(guān)系。

熱力學(xué)第一定律和第二定律都自然界中獨(dú)立的定律，熱力學(xué)第二定律是第一定律的

補(bǔ)充。

（1）第一定律只指出了〃不大于100%,而第二定律指出的是〃不等于100%,說

明功可以全部變?yōu)闊?，而熱量不能通過一循環(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?dòng)地傳向高溫

熱源，揭示了過程進(jìn)行的方向和條件。

C.根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體

D.從單一熱源吸收的熱量全部變成功是可能的

答案：D

2.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的（）

A.熱機(jī)中燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成機(jī)械能

B.電流的能不可能全部變成內(nèi)能

C.在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成電能

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：ACD

3.下列說法正確的是（）

A.在自然條件下，熱傳遞的過程是不可逆的

B.熱量不可能由高溫物體傳遞給低溫物體

C.氣體的擴(kuò)散過程具有方向性

D.一切形式能量轉(zhuǎn)化都不具有方向性

答案：AC

4.下列說法中可行的是（）

①將地球上所有海水的溫度降低0.1C,以放出大量內(nèi)能供人類使用

②制造一種機(jī)器，把物體與地面摩擦所產(chǎn)生的熱量全部收集起來再全部加以使用

③建造一只可以從海洋中提取熱量的船，把熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)

④制造一種效率為100%的熱機(jī)

A.①可行B.①④可行C.②④可行D.①②③④都不可行

答案；D

5.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說法中正確的是（）

A.不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其它變化

B.沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而

不引起其它的變化的熱機(jī)是可實(shí)現(xiàn)的

C.致冷系統(tǒng)能將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中而不引起其它變化

D.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化

答案：AD

6.根據(jù)熱力學(xué)定律和分子動(dòng)理論，可知下列說法中正確的是（）

A.我們可以利用高科技手段，將流散到周圍環(huán)境中的內(nèi)能重新收集起來加以利用

而不引起其它變化

B.利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機(jī)，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)

化為機(jī)械能，這在原理上是可行的

C.分子間的作用力總是隨分子間的距離增大而減小

D.溫度升高時(shí)，物體中每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率都將增大

答案：B

7.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說法中正確的有（）

A.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

B.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體

C