二、热力学第一定律主要内容及教案内容

第四节热力学第二定律教学设计

编辑

余宪骐

2019 5 19 【教学目标】

1．通过自然界中热传导的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因。

2．能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题

3．尝试运用热力学第二定律解决一些实际问题，培养将物理知识应用于现实生活的能力。

【教学重点】

热力学第二定律和热力学第二定律的两种表述

【教学难点】

热力学第二定律运用和热力学第二定律的开尔文表述

【自主学习】

一、思考与讨论

1．下面，我们设想了一些过程，这些过程都不违背能量守恒定律，但是你见到过这些现象吗？

（1）把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会儿，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。是否可能发生这样的现象：原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低而鸡蛋温度上升，生蛋变成了熟蛋？

（2）一滴墨水滴进一杯清水中，不久整杯水都均匀地变黑了。有没有这样的“逆过程”：这杯均匀黑水中的小炭粒又自发地聚集在一起，成为一滴墨水，而其余部分又变成了清水？

（3）在平地上滚动的足球克服摩擦力做功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时足球、地面及周围空气的温度略有上升。会不会有这样的现象：静止的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为动能，让足球又滚动起来？

（4）装着压缩气体的钢瓶，打开阀门后会听到“哧—”一声，气体喷到外面。会不会有这样的现象：外面的气体自发地进入钢瓶，使瓶内的压强变大？

2．能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或能量消灭的过程是不可能出现的。然而，并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生。

3．无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，如热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动……都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，例如热由高温物体传向低温物体，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，我们也从未见到它们会自发地进行。这就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

4．在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律

二、热力学第二定律的一种表述

1．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。

2．热传导的过程可以自发地由

向

进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有

性，是一个不可逆的过程。

3．说明：

①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。

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，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。例如：电冰箱、空调。

三、热力学第二定律的另一种表述

1．热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温热库（冷凝器或大气）。也就是说，热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W＜Q。因此，即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机的效率也不会是100%。

2．开尔文在分析了热机及其他涉及做功的热学过程后，于1851年提出了热力学第二定律的另一种表述，即开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

3．热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。例如，两个相互接触并做相对运动的物体，由于摩擦而静止下来，它们的机械能可以全部转化为内能；但相反的过程不可能自发进行而不产生其他影响。

4．可以证明，热力学第二定律的上述两种表述是等价的，可以从其中一种表述推导出另一种表述。其实，宏观过程的不可逆性都是互相关联的，由一种过程的不可逆性可以通过推理得知另一种过程的不可逆性。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。例如，在如图所示的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：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。

5．热力学第二定律的一种表述就是：第二类永动机不可能制成。

四、思考与讨论：有可能制成第二类永动机吗？

1．地球上海水的总质量达1.4×1021kg。如果把这些海水的温度降低1℃，放出的热量就达9×1018kW·h，足够全世界使用4000年。这个设想不违背能量守恒定律，但是不能实现，所以叫做第二类永动机。前面学到的，违背能量守恒定律的永动机，叫做第一类永动机。

2．学过热力学第二定律之后，你能说出为什么不能制成第二类永动机吗？

3．第二类永动机

（1）设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。

（2）把海水的温度降低1 0C，所放出的热量用来做功的机器叫做第二类永动机。

（3）第二类永动机不可能制成，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为机械能而同时不引起其他变化

（4）第二类永动机不可能制成的原因是，不违背热力学第一定律，不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律了。