《热力学第二定律》教案1-1

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1、《热力学第二定律》【教学目的】、了解某些热学过程的方向性　　、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　　、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　　、知道什么是能量耗散　　、知道什么是热力学第三定律【教学重点】、热力学第二定律的实质，定律的两种不同表述、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：、热力学第一定律的形式若何，符号法则怎样？、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

2、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——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

3、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。它们的主要工作原理都是利用高温高压的气体或蒸汽膨胀

4、做功。如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机和喷气发动机等。内能的来源有燃料燃烧所放出的内能、地热以及原子能(转化)、太阳能(转化)等。热机的组成必须具备三个组成部分。其一是发热器，它是使燃料所释放出的能量转变为工作物质(简称工质)内能的装置；其二是工作部分，它是使工质消耗内能来做机械功的装置；其三是冷凝器，这部分是容纳工作部分排出的废工质的装置。热机工作时，工质从发热器得到的热量，只有一部分转变为机械功，其余部分都传给了冷凝器。由于内能往机械能的转化不会自发的进行，所以热机事实上人为造就的、一种逆自然过程的能量转化装置。科学家

5、们对热机的工作进行了定量的研究，令工质从发热器得到的热量为，最后被冷凝器带走的热量为(最终耗散到大气、循环水中)，转变成机械功的只是—。可不可以不设置冷凝器(不带走)，令呢(物理语言叫热机的效率η)？科学家们经过了种种努力，发现这是不可能的。也就是说：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来作功，而不引起其它变化。这就是热力学第二定律。对热机的定量研究事实映射出这样的信息：要将自发的热学过程人为地逆转，虽然是可能的，但必须付出代价(也就是所谓的“其它变化”——手段的代价、能量的代价)。所以，我们也可以把热学过程的方向性就看成是

6、是热力学第二定律的的一种体现。于是，热力学第二定律的一种更朴实的表述是：不可能使热量从低温物体传至高温物体，而引起其它变化。我们通常把这种表述方式称为克劳修斯表述。与之对应的，先前的一种表述被称为开尔文表述。毫无疑问，这是为了纪念这两位科学家在该领域研究的突出贡献与成就。关于克劳修斯表述，我们可以通过这样一个事实理解：通过人为的努力，电冰箱和空调实现了热量从低温物体往高温物体的传递，但是，我们付出了手段方面的代价：购置冰箱的经济代价、能量方面的代价(持续地缴纳电费)，甚至付出了环境方面的代价——定量研究表明，冰箱释放给环境的

7、热量必然要多于从冷藏室吸收热量——和空调一样，它能使环境升温，是一种“损人利己”的发明(这就是所谓的“其它变化”)。关于开尔文表述，一个反面的素材是：要制成效率为的热机是不可能的。人们也把效率为的热机称为第二类永动机。前面我们已经知道，第一类永动机违背的是热力学第一定律。那么，与之对应的，第二类永动机则是违背了热力学第二定律。(*热力学第二定律所展示的热学过程的方向性，在大学里面有一种定量的描述：那就是热学过程总是往熵增大的方向发展，熵的物理定义，我们这里不便介绍，一个通俗理解是：熵是事物发展的混乱程度。)除了在物理学方面具

8、有重要意义之外，目前人们已经发现，热力学第二定律在社会学、哲学方面的正确性，十年前，就有一本美国人的书给我的印象特别深，叫做《熵，一种新的世界观》，它用热力学第二定律论证全球化经济和社会问题，得到了人们广泛的认同。下面我们介绍其它的相关知识——三、小结本节我们知道了热学过程的方向性，并知道