1、第四章 能量守恒与热力学定律四、热力学第二定律当物体温度升高时，就要吸收热量；当物体温度降低时，就要放出热量。而且热量公式Q=cmt，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水,它的总质量约为1.41018 t,如果这些海水的温度降低0.1oC,将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2103J/(kg)Q=4.2101.410 100.1 J=5.810J这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。为什么人们不去研究这“新能源”呢？原来，这样做是不可能的，这涉及物理学的一个基本定律，这就是本节要讨论的热力学第二定律。一、热传递的方向性实验：点燃酒精灯，用钳夹住事先准备好的
2、铁块，在火焰上灼烧一段时间后，问学生现在如果用手摸会出现什么现象？下面把灼热的铁块放入冷水中，过一段时间，拿出铁块现在你们敢用手摸吗？通过这个实验说明什么问题？热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体例如：雪花落在手上就融化，挨着火炉就温暖等等。有没有可能发生这样地现象，热量自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。学生思考讨论一会后，有的同学可能产生疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气？这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。一旦切断电源，电冰箱就
3、不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。结论:热力学第二定律的一种表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。这里阐述的是热传递的方向性.在这个表述中,“自发”二字指的是:当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响,热量就能从一个物体传向另一个物体.当两个温度不同的物体接触时,这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。热力学第二定律
4、的克劳修斯表述实质上就是：热传递过程是不可逆的。热力学第二定律的另一种表述(第二类永动机)前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是什么？什么是第二类永动机呢？思考讨论下列问题：1.热机是一种把什么能转化成什么能的装置？2.热机的效率能否达到100%？3.第二类永动机模型4.机械能和内能转化的方向性1.热机是一种把内能转化成机械能的装置2.热机的效率不能达到100%原因分析：以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，由能量守恒定律可知：Q1=W+Q2 我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用表示=
5、W/Q1 实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有：Q1W 因此，热机的效率不可能达到100%，汽车上的汽油机械效率只有20%30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。师生总结:热力学第二定律的另一种表述:不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功,而不产生其他影响。这是热力学第二定律的开尔文表述(也称第二类永动机)。教师应该强调定律内容“而不产生其他影响”这个条件
6、，举出“绝热膨胀”的例子加以说明。第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。为什么第二类永动机不可能制成呢？因为机械能和内能的转化过程具有方向性。机械能全部转化成内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。例如：1.气体的扩散现象。2.书上连通器的小实验（气体向其中膨胀）。说明有些物理过程具有方向性。热力学第二定律的两种表述表述一：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（按照热传递的方向性来表述的）表述二：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。也可表述为第二类永动机是不可能制
7、成的。（机械能与内能转化具有方向性）这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。（自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性）。因此,对任何一类宏观自然过程进行方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述。如图中,盒子中间有一个挡板,左室为真空,右室有气体。撤去挡板后右室的气体自发地向左室扩散,而相反的过程不可能自发地进行。因此，热力学第二定律也可以表述为:气体向真空的自由彭胀是不可逆的。【注意】：不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。三、【随堂练习】
8、1、热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及 现象的宏观过程都具有 性，例如机械能可以 转化为内能，但内能 全部转化成机械能，而不引起其他变化。2.热传导的规律为：（）A、热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体B、热量总是从温度较高的物体传递给温度较低的物体 C、热量总是从内能较多的物体传递给内能较少的物体 D、热量总是从比热容较大的物体传递给比热容较小的物体3.根据热力学第二定律，下列判断正确的是（）A电流的能不可能全部变为内能 B在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能 C热机中，燃气内能不可能全部变为机械能 D在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温度物体4.第二类永动机不可以制成，是因为（）A违背了能量的守恒定律 B热量总是从高温物体传递到低温物体 C机械能不能全部转变为内能 D内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化【课后思考题】：一种冷暖两用型空调铭牌标注有如下指标：输入功率1KW，制冷能力1.2104KJ/h，制热能力1.3104 KJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量，是指标注错误还是能量不守恒呢？
