下载文档原格式
§11－6 熱力學第二定律【教學目的】1、瞭解某些熱學過程的方向性2、瞭解什麼是第二類永動機，為什麼第二類永動機不可能製成3、瞭解熱力學第二定律的兩種表述，理解熱力學第二定律的物理實質4、知道什麼是能量耗散5、知道什麼是熱力學第三定律【教學重點】1、熱力學第二定律的實質，定律的兩種不同表述2、知道什麼是第二類永動機，以及它不能製成的原因【教學難點】熱力學第二定律的物理實質【教具】擴散裝置【教學過程】○、引入學生答問：1、熱力學第一定律的形式若何，符號法則怎樣？2、什麼是第一類永動機？熱力學第一定律和能量守恆定律具有相同的實質，表徵的是能量轉移或轉化過程中總量不變。
既然能量只是在不停地轉移或轉化，而不會消失，我們為什麼還在面臨能源危機，還在不停地呼籲節約能源呢？我們今天來探討一下這個問題——一、某些熱學過程的方向性人們認識問題，總是先有素材，再有思索，然後才有理論的總結與上升。
我們先看這樣的事實：根據初中學過的物理常識，我們知道熱傳導會在兩個有溫差的物體間產生，會自發的從高溫物體傳至低溫物體，那麼，熱傳導會不會從低溫物體傳至高溫物體呢？不會。
我們把這種現象稱之為——熱傳導的方向性在看另一個事實：表述教材P85圖11-12的物理情形…（人們也做過理論上的預測：擴散既然是分子無規則運動引起，那麼，原來A容器中的氣體分子恰好全部回到A容器是可能的，只是這種幾率非常非常小，以至於在現實中還從來沒有發生過）這說明——擴散現象有方向性事實三：有初速度的物體，在水平面上運動，總要停下來，因為摩擦生熱，機械能轉化成了內能；但是，由於內能的增量一部分轉移到物體和地面，另一部分轉移到了空中（通常稱之為耗散），我們要把這部分內能收集起來，然後通過某種機器或裝置讓它轉化成物體重新運動的機械能，這可能嗎？答案必然是否定的。
甚至人們還嘗試過，即便能夠把這部分內能完全收集（不散失），要使它完全轉化成機械能，也是絕對不可能的。
热力学第二定律【教学目的】1、了解某些热学过程的方向性2、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成3、了解热力学第二定律的两种表述，理解热力学第二定律的物理实质4、知道什么是能量耗散5、知道什么是热力学第三定律【教学重点】1、热力学第二定律的实质，定律的两种不同表述2、知道什么是第二类永动机，以及它不能制成的原因【教学难点】热力学第二定律的物理实质【教具】扩散装置【教学过程】○、引入学生答问：1、热力学第一定律的形式若何，符号法则怎样？2、什么是第一类永动机？热力学第一定律和能量守恒定律具有相同的实质，表征的是能量转移或转化过程中总量不变。
既然能量只是在不停地转移或转化，而不会消失，我们为什么还在面临能源危机，还在不停地呼吁节约能源呢？我们今天来探讨一下这个问题——一、某些热学过程的方向性人们认识问题，总是先有素材，再有思索，然后才有理论的总结与上升。
我们先看这样的事实：根据初中学过的物理常识，我们知道热传导会在两个有温差的物体间产生，会自发的从高温物体传至低温物体，那么，热传导会不会从低温物体传至高温物体呢？不会。
我们把这种现象称之为——热传导的方向性在看另一个事实：表述教材图11-12的物理情形…（人们也做过理论上的预测：扩散既然是分子无规则运动引起，那么，原来A容器中的气体分子恰好全部回到A容器是可能的，只是这种几率非常非常小，以至于在现实中还从来没有发生过）这说明——扩散现象有方向性事实三：有初速度的物体，在水平面上运动，总要停下来，因为摩擦生热，机械能转化成了内能；但是，由于内能的增量一部分转移到物体和地面，另一部分转移到了空中（通常称之为耗散），我们要把这部分内能收集起来，然后通过某种机器或装置让它转化成物体重新运动的机械能，这可能吗？答案必然是否定的。
甚至人们还尝试过，即便能够把这部分内能完全收集（不散失），要使它完全转化成机械能，也是绝对不可能的。
所以，我们说，涉及到热现象的——能量转化有方向性怎样表征这种热学过程的方向性呢？——二、热力学第二定律在介绍热力学第二定律之前，先介绍相关概念——热机：将内能转化成机械能的装置。
4 热力学第二定律教学目标1．通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法。
2．能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，即自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。
3．了解能量与能源的区别以及能源是有限的。
教学重难点教学重点热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。
教学难点热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。
教学用具多媒体课件相关资源【教学图片】扩散、【教学图片】电冰箱实例、【教学图片】热机工作时的能流分配、【教学图片】热机能流图教学过程新课引入教师讲述并设问：一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。
从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。
那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？教师讲述：显然是不可能的，说明扩散现象具有方向性。
新课讲授一、热力学第二定律教师讲述：这个实验告诉我们，虽然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失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自发地进行。
教师设问：两个温度不同的物体互相接触时，将会出现什么现象？学生回答。
教师依据学生回答讲述：两个温度不同的物体互相接触时，热量将从高温物体传给低温物体，使高温物体温度降低，低温物体温度升高。
这个过程中热量是自发地从高温物体传给低温物体的，我们所说的“自发地”指的是没有任何的外界影响或者帮助。
教师设问：那么，同学们见过热量从低温物体传给高温物体的实例吗？教师讲述：同学们可能想到了电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体。
但是同学们想过没有，如果拔掉电源，电冰箱还会把其内部的热量传给外界的空气吗？教师展示图片并讲述：对于电冰箱来说，热量的确从低温物体——冰箱内的食品，传到了高温物体一一冰箱外的空气。
但是这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入：必须开动冰箱的压缩机。
热力学第二定律练习题一、是非题，下列各题的叙述是否正确，对的画√错的画×1、热力学第二定律的克劳修斯说法是：热从低温物体传给高温物体是不可能的( )2、组成可变的均相系统的热力学基本方程d G=－S d T＋V d p＋d n B，既适用于封闭系统也适用于敞开系统。
（）3、热力学第三定律的普朗克说法是：纯物质完美晶体在0 K 时的熵值为零。
( )4、隔离系统的熵是守恒的。
（）5、一定量理想气体的熵只是温度的函数。
（）6、一个系统从始态到终态，只有进行可逆过程才有熵变。
（）7、定温定压且无非体积功条件下，一切吸热且熵减少的反应，均不能自发发生。
( )8、系统由状态1经定温、定压过程变化到状态2，非体积功W’<0，且有W’>D G和D G <0，则此状态变化一定能发生。
（）9、绝热不可逆膨胀过程中D S >0，则其相反的过程即绝热不可逆压缩过程中D S <0。
（）10、克-克方程适用于纯物质的任何两相平衡。
（）11、如果一个化学反应的r H不随温度变化，则其r S也不随温度变化，（）12、在多相系统中于一定的T，p下物质有从化学势较高的相自发向化学势较低的相转移的趋势。
（）13、在10℃，101.325 kPa下过冷的H2O ( l )凝结为冰是一个不可逆过程，故此过程的熵变大于零。
（）14、理想气体的熵变公式只适用于可逆过程。
（）15、系统经绝热不可逆循环过程中S= 0，。
（）二、选择题1 、对于只做膨胀功的封闭系统的(¶A/¶T)V值是：（）（1）大于零 （2） 小于零 （3）等于零 （4）不确定 2、 从热力学四个基本过程可导出VU S ∂⎛⎫⎪∂⎝⎭=（ ） (1) (2) (3) (4) T p S pA H U G V S V T ∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 3、1mol 理想气体（1）经定温自由膨胀使体积增加1倍；（2）经定温可逆膨胀使体积增加1倍；（3）经绝热自由膨胀使体积增加1倍；（4）经绝热可逆膨胀使体积增加1倍。
《热力学第二定律》教学设计【教学目标】一、知识和技能1、能判断涉及热现象的宏观过程是具有方向性的；2、知道并理解热力学第二定律的两种经典表述；3、形成关于宏观热现象都具有不可逆性的概念；4、认识到热力学第一定律与热力学第二定律具有同样重要的意义。
二、过程和方法分析各种热学现象的过程，归纳出现象背后的普遍规律──热力学第二定律。
三、情感、态度和价值观1、体会科学发现的曲折性和必然性；2、体会热力学第二定律对于人类实践的指导意义。
【教学重点和难点】重点：热力学第二定律内容的理解。
难点：热力学第二定律的两种表述的理解。
【设计思路与教学流程】设计思路：本节内容的课程标准是：“通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。
”热力学第二定律是紧跟在热力学第一定律之后的一节内容。
学生早在初中就知道了能量的转化与守恒定律，在学完了热力学第一定律之后，对于能量守恒的认识就更深刻了。
因此在此基础上提出“利用海水降温释放的热量作为新能源”这一设想，让学生思考、讨论而引入新课。
然后再列举一些自发的热学现象，归纳出其中共同的特征：过程的不可逆性。
然后就其中的热传导与功热转化两个过程具体分析，归纳出热力学第二定律的两种经典表述：克劳修斯表述和开尔文表述。
热力学第二定律的实质就是指宏观自发的涉及热现象的过程都是不可逆的，任何一类宏观自发的热学过程都可以作为热力学第二定律的表述。
本节课的难点在于如何理解热力学第二定律的两种表述，特别是开尔文表述。
教学中尽可能多地让学生分析实例，再借助于一些多媒体素材（我利用了一些视频及热机、内燃机两个flash动画），从正、反两方面帮助学生形成对热学现象中的过程认识：热量可以自发地从高温物体传到低温物体；功可以全部转化为热；热量可以从低温物体传到高温物体（但要有条件）；热可以转化为功（但不完全）。
最终认识到热力学第二定律是与热力学第一定律并重的一条客观规律。
教学流程：【教学资源】多媒体课件（包括视频及flash动画）【教学实录】一、引入新课师：我们刚刚学过了热力学第一定律，即能量的转化与守恒定律。
11热力学第二定律习题详解仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢2习题十一一、选择题1．你认为以下哪个循环过程是不可能实现的 [ ]（A ）由绝热线、等温线、等压线组成的循环； （B ）由绝热线、等温线、等容线组成的循环； （C ）由等容线、等压线、绝热线组成的循环； （D ）由两条绝热线和一条等温线组成的循环。
答案：D解：由热力学第二定律可知，单一热源的热机是不可能实现的，故本题答案为D 。
2．甲说：由热力学第一定律可证明，任何热机的效率不能等于1。
乙说：热力学第二定律可以表述为效率等于100%的热机不可能制成。
丙说：由热力学第一定律可以证明任何可逆热机的效率都等于211T T -。
丁说：由热力学第一定律可以证明理想气体可逆卡诺热机的效率等于211T T - 。
对于以上叙述，有以下几种评述，那种评述是对的 [ ]（A ）甲、乙、丙、丁全对； （B ）甲、乙、丙、丁全错； （C ）甲、乙、丁对，丙错； （D ）乙、丁对，甲、丙错。
答案：D解：效率等于100%的热机并不违反热力学第一定律，由此可以判断A 、C 选择错误。
乙的说法是对的，这样就否定了B 。
丁的说法也是对的，由效率定义式211Q Q η=-，由于在可逆卡诺循环中有2211Q TQ T =，所以理想气体可逆卡诺热机的效率等于211T T -。
故本题答案为D 。
3．一定量理想气体向真空做绝热自由膨胀，体积由1V 增至2V ，此过程中气体的 [ ]仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3（A ）内能不变，熵增加； （B ）内能不变，熵减少； （C ）内能不变，熵不变； （D ）内能增加，熵增加。
答案：A解：绝热自由膨胀过程，做功为零，根据热力学第一定律21V V Q U pdV =∆+⎰，系统内能不变；但这是不可逆过程，所以熵增加，答案A 正确。
4．在功与热的转变过程中，下面的那些叙述是正确的？[]（A ）能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全变为有用功；（B ）其他循环的热机效率不可能达到可逆卡诺机的效率，可逆卡诺机的效率最高；（C ）热量不可能从低温物体传到高温物体； （D ）绝热过程对外做正功，则系统的内能必减少。
答案：D解：（A ）违反了开尔文表述；（B ）卡诺定理指的是“工作在相同高温热源和相同低温热源之间的一切不可逆热机，其效率都小于可逆卡诺热机的效率”，不是说可逆卡诺热机的效率高于其它一切工作情况下的热机的效率；（C ）热量不可能自动地从低温物体传到高温物体，而不是说热量不可能从低温物体传到高温物体。
故答案D 正确。
5．下面的那些叙述是正确的？[ ]（A ）发生热传导的两个物体温度差值越大，就对传热越有利； （B ）任何系统的熵一定增加；（C ）有规则运动的能量能够变为无规则运动的能量，但无规则运动的能量不能够变为有规则运动的能量； （D ）以上三种说法均不正确。
答案：D解：（A ）两物体A 、B 的温度分别为A T 、B T ，且A B T T >，两物体接触后，热量dQ 从A 传向B ，经历这个传热过程的熵变为11()B AdS dQ T T =-，因此两仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢4个物体温度差值越大，熵变越大，对传热越不利；(B)孤立系统的熵一定增加，而如果一个系统与外界有物质或者能量的交换，该系统的熵可以减少，比如地球这个系统，由于与太阳等存在能量交换，地球处于相对比较有序的状态，而热寂态则不会出现；（C ）热机可以将热能变为机械功，这就是将无规则运动的能量变为有规则运动的能量。
故本题答案为D 。
6． 一摩尔单原子理想气体从初态(1p 、1V 、1T )准静态绝热压缩至体积为2V ，其熵[ ]（A ）增大； （B ）减小； （C ）不变； （D ）不能确定。
答案：C解：准静态过程是可逆过程，又是绝热过程，0dQS T∆==⎰，C 正确。
二、填空题1． 一热机每秒从高温热源（1600T =K ）吸取热量41 3.3410Q =⨯J ，做功后向低温热源（2300T =K ）放出热量42 2.0910Q =⨯J ，它的效率是 ，它 可逆机（填“是”或者“不是”），如果尽可能地提高热机的效率，每秒从高温热源吸热43.3410⨯J ，则每秒最多能做功 。
答案：37.4%；不是；41.6710J ⨯。
解：（1）4241 2.09101137.4%3.3410Q Q η⨯=-=-=⨯，213001150%600c T T η=-=-=， c ηη<，根据卡诺定理可知，该热机不是可逆热机。
（2）根据卡诺定理，工作在相同高温热源和相同低温热源之间的一切热机，其最大效率为213001150%600c T T η=-=-=，所以最多能做的功为 441 3.341050% 1.6710J c A Q η==⨯⨯=⨯2．把质量为5kg 、比热容（单位质量物质的热容）为544J/kg 的铁棒加热到300C ︒，然后浸入一大桶27C ︒的水中。
在这冷却过程中铁的熵变为 。
答案：1760J/K -解：设想一可逆冷却过程，则熵变为仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢52121d d 27327ln 5544ln 1760J/K 273300T T T Q Mc T S Mc TT T +∆====⨯⨯=-+⎰⎰3．在冬日一房子的散热的速率为8210J/h ⨯，设室内温度为20C ︒，室外温度为20C -︒，这一散热过程产生熵的速率为 (J/(K s))⋅。
答案：30J /(s K)⋅。
解： 88210210=30J/(s K)2027320273inoutQ Q S T T ⨯⨯∆=+=-+⋅+-+放吸三、计算题1．有可能利用表层海水和深层海水的温差来制成热机。
已知热带水域的表层水温约25C o ，300m 深层水温约5C o 。
（1）在这两个温度之间工作的卡诺热机的效率多大？（2）如果一电站在此最大理论效率下工作时获得的机械效率为1MW ，它将以何种速率排除废热？（3）此电站获得的机械功和排除的废热均来自25C o 的水冷却到5C o 所放出的热量，问此电站每小时能取用多少吨25C o 的表层水（设海水的比热容为4.2kJ/(kg K)⋅）？答案：（1） 6.7%η=；（2）13.9MW Q =放；（3）26.510t/h M=⨯&。
解：（1）%7.62732527351112=++-=-=T T η （2）AA Q η=+放，1MW A =， 6.7%η=，所以 13.9MW Q =放；（3）AQ cM T η==∆吸，所以 AM c Tη=∆ 将 6.7%η=，1MW A =，(25273)(5273)20K T ∆=+-+=， 4.2kJ/(kg K)c =⋅代入，得21.78kg/s 6.510t/h AM c Tη===⨯∆2．试求：（1）1kg ，0C ︒的水放到100C ︒恒温热库上，最后达到平衡，求这一过程引起的水和恒温热库组成的系统的熵变，是增加还是减少？（2）如果1kg ，0C ︒的水先放到50C ︒恒温热库上使之达到平衡，然后再把它移到100C︒仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢6恒温热库上使之平衡，求这一过程引起的整个系统的熵变，并与（1）比较（水的比热容为 4.2kJ/(kg K)c =⋅）。
答案：（1）1184J/K S ∆=，熵增加；（2）297.6J/K S ∆=，2S S ∆<∆1。
解： （1）1002730273373ln273c M dTS c M T++∆==⎰水水水水水 010*******s sc M T c M S T ∆⨯-∆=-=+水水水水水（）1184J/K >0s S S S ∆=∆+∆=水（2）50273100273027350273323373=ln )273323c M dTc M dTS c M TT++++∆=++⎰⎰水水水水水水水（l n1212s c M T c M T S T T ∆∆∆=--水水水水水水1(50273)(0273)50K T ∆=+-+=水，150273323T =+=K 2(100273)(50273)50K T ∆=+-+=水，2100273373T =+=K297.6J/K s S S S ∆=∆+∆=水与（1）相比较，2S S ∆<∆1。
3．1mol 理想气体从初态1p 、1V 绝热自由膨胀到终态2p 、2V ，已知：212V V =，试求：（1）气体对外做功；（2）气体内能增量；（3）气体熵的增量。
答案：（1）0A =；（2）0U ∆=；（3） 5.76S ∆=J/K 。
解：（1）理想气体对外自由膨胀的过程中不对外做功，所以0A =；（2）理想气体对外自由膨胀的过程中不对外做功，整个过程又是绝热过程，根据热力学第一定律 21V V Q U pdV =∆+⎰，系统0U ∆=（3）理想气体绝热对外自由膨胀是一个不可逆过程，故不能利用可逆过程的熵增公式d QS T∆=⎰来求。
但熵是个态函数，所以可以找到一个始、末状仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7态一样的可逆过程来计算熵变。
因理想气体绝热对外自由膨胀后内能不变，也即温度不变，所以可设计一个准静态等温过程来算熵增，所以221,m 1112d ln ln 018.31ln 5.76J/K V T V V QS C R T T V V νν∆==+=+⨯⨯=⎰4．有2mol 的理想气体，经过可逆的等压过程，体积从0V 膨胀到03V 。
求这一过程中的熵变。
答案：,m 2ln 3p S C ∆=。
解： 由于熵是态函数，1→3的可逆等压过程的熵变等于1→2等温过程加上2→3绝热过程的总熵变，2→3绝热过程熵不变，则总熵变等于等温过程的熵，即2222,m 1111d ln ln 02ln 2ln V T V V V QS C R R R T T V V V νν∆==+=+=⎰由等温方程和绝热方程 1122p V p V =，3322p V p V γγ= 由于 10V V =，303V V =， 所以上两式变为1022p V p V =， 1022(3)p V p V γγ=由上两式得 2210lnln V V V V =，20ln ln 3ln 31p C V V R γγ==-，代入上面熵变算式，得 ,m 2,m 12ln 2ln 32ln 3p p C V S R R C V R∆===。
