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学科：物理 |
| 教学内容：热力学第二定律 |
【基础知识精讲】
知识框图
| 项目 | 内容 | 说明或提示 |
| 热传导的方向性 | 热量可以自发地从高温物体传给低温物体 | 要将热量从低温物体传给高温物体，必须有外界的帮助，即从外界对其做功 |
| 机械能转化为内能过程的方向性 | 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不引起其他变化 | 第二类永动机不可能实现 |
| 热力学第二定律 | 有两种表述：①热量不可能自动地从低温物体传向高温物体.②不可能从单一热源吸收热量并全部转变为功 | 热力学第二定律的两种表述是等效的 |
热力学第一定律是能的转化和守恒在热力学过程的体现，它对自然过程没有条件和方向的限制，只指出在任何力学过程中能量不会有任何增加或损失，而热力学第二定律是独立于热力学第一定律的另一条基本规律，它反映过程进行方向的规律，即解决哪些过程可以发生，要注意理清二者的关系，比如，遵守动量守恒的碰撞结果是多种多样的，但是否可能，尚需受能量规律的制约.
一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.自然界中各种不可逆过程都是互相关联的，即由某一过程的不可逆性，可推断另一过程的不可逆性.热力学第二定律的开尔文表述，说明功变热的过程是不可逆的.而克劳修斯表述，指出热传导过程是不可逆的，这两种表述实际上分别挑选了一种典型的不可逆过程，由于各种不可逆过程都是互相关联的，所以每一个不可逆过程都可以选为表述热力学第二定律的基础.
学习中注意按教材的编排顺序，先由热传导的方向性、功变热自发性地表现出方向性，而逆过来是不可自发地实现的，所以理解方向性，要把握好“自发地”这个前提，热机的效率不可能达到100%和第二类永动机不可能制成，充分表明机械能和内能的转化过程具有方向性.
热力学第二定律又有各种不同表述.例如，“不可能造成第二类永动机”，“热效率为100%的热机是不可能造成的”，“热传导，摩擦产生的热现象是不可逆的”，“不需要由外加功而可操作的致冷机是不可能造成的”，不论何种表述法，我们可以证明其内容彼此相同，其内容不外是主张不可逆变化的存在.
能量耗散从能量角度揭示一切与热现象有关的实际宏观过程是不可逆的.
【重点难点解析】
重点 理解热力学第二定律的两种表述内容及物理实质.
难点 第二类永动机与第一类永动机的区别，解释第二类永动机不可能制成.
没有能源而“自己”能作功的机器是不可能制成的，但能否设计一种机器依靠冷却海水来做功呢?很容易算出，将海水冷却一度放出的能量，足够人类用几万年，这有着非常诱人的前景.
解析 根据热力学第二定律，不论什么形式的热机，必须能产生温度差才能做功，即任何一种热机都必须具有“供热装置”和“冷凝器”两部分，例如机车的供热装置是锅炉，而冷凝器就是大气，海水虽然可看作是一个巨大的供热装置，但是为了利用它的能量作功，必须有相应的冷却装置，这种巨大的冷凝器我们是没有办法提供的，所以这种机器我们无法制造.
【难题巧解点拨】
例 热力学第一定律的叙述能否包括热力学第二定律的内容?
解析 热力学第二定律不是由第一定律推演出来的，而是自然界的又一个独立的定律，它涉及的问题不同于第一定律所涉及的范围，它是第一定律的补充.
①第一定律只指出了效率η≯100%，第二定律指出的是效率η≠100%，说明功可以全部变为热，而热量不能通过一循环全部变为功，即机械能和内能是有区别的.
②第一定律指出了热功等效和转换关系，指出任何过程中能量必须守恒，第二定律指出的是，并非所有能量守恒过程都能实现，低温热源的热量就不能自动地传向高温热源，揭示了过程进行的方向和条件.
③第一定律没有温度的概念.第二定律中有了温度的概念，提出了在高温热源和低温热源的问题，提出了不同温差下，相同的热量的效果是不一样的，有必要加以区分.
【典型热点考题】
例 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物体
答案 选BCD.
【同步达纲练习】
1.下列所述过程是可逆的，还是不可逆的?
(1)汽缸与活塞组合中装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与汽缸间没有摩擦时.
(2)上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与汽缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时.
(3)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.
(4)在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高.
(5)一传热的容器内盛有液体，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.
(6)在一绝热容器内，不同种类的液体进行混合.
(7)在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合.
2.根据热力学第二定律判别下面的两种说法是否正确.
(1)功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功.
(2)热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体.
【素质优化训练】
1.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
2.第二类永动机不可能制成，表示 能和 能的转化过程具有 性.
【生活实际运用】
分析电冰箱的工作原理，说明它并不违反热力学第二定律.
参考答案：
【同步达纲练习】
1.(1)发生自由膨胀，则是不可逆过程.
(2)有摩擦发生，也是不可逆过程.
(3)是准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程.
(4)这是由功变为热，是不可逆过程.
(5)此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不可逆过程.
(6)液体的扩散是不可逆过程.
(7)有一定温度差的热传导也是不可逆过程.
2.两种说法均不正确.
【素质优化训练】
1.D 2.机械 内 方向
【生活实际运用】
电冰箱内部的温度比外部低，但是致冷系统还能不断地把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.这个过程不是自发进行的，它引起了其他变化，即消耗了电源的电能，因此它不违反热力学第二定律.