第12.3节 能量转化的方向性-【帮课堂】2023-2024学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第三册）

第十二章 热力学定律 12.3 能量转化的方向性 🧭目标导航 知识要点 难易度 1. 自发过程的方向性：热现象都是不可逆 2. 热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述 3. 能量的耗散和品质退降 ★ ★★★ ★ 📚知识精讲 一、热力学第二定律 1.自发过程的方向性 (1)问题：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消失的过程是不可能出现的。但符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？ (2)自发热现象： 热传递：从高温到低温； 气体膨胀：体积由小到大 扩散：密度由密到疏； 摩擦生热：做功转化为热 (3)凡是涉及热现象的自发过程，都有特定的方向性。而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，也不会自发地进行。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)本质上，自发的热现象是从有序到无序的过程。 用熵来表示无序程度，即热现象过程都是熵增加的过程。 2. 热力学第二定律内容 反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。 (1) 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。 制冷机工作原理 Q1=Q2+W Q1：向高温热库放出的热量 W：外界所做的功 Q2：从低温热库吸收的热量 克劳修斯表述阐述的是传热的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量可以自发地从高温物体传向低温物体。强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体” 要实现相反方向的过程，必须借助外界的做功，因而产生其它影响或引起其它变化。 (2) 开尔文表述：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。 热机工作原理 Q1=Q2+W Q1：从高温热库吸收的热量 W：对外界所做的功 Q2：向低温热库散发的热量 机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部转换为机械能。 “不可能从单一热库吸收热量”的意义：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 (3) 第二类永动机 如果一台热机，效率为： ，热机从热源吸取的热量Q1全部变成功W，即Q2＝0，该机器唯一的结果就是从单一热源吸取热量全部变成功而不产生其它影响。此时热机的效率η＝1(100%)。 η＝1的热机称为第二类永动机。 开尔文表述也可以表述为：第二类永动机是不可能制造成功的。 (4)热力学第二定律是一个统计规律。 这个规律是由大量分子无规则运动所具有的统计规律所决定的。 热力学第二定律只适用于大量分子构成的系统，不适用于单个分子或少量分子构成的系统。 例1. 判断正误。 (1). 随着科技的进步，所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生。（ ） (2). 一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的。（ ） (3). 气体向真空的自由膨胀是可逆的。（ ） (4). 机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响。（ ） (5). 机械能全部转化为内能是不可能的。（ ） (6). 从单一热源吸收的热量全部变成功是不可能的。（ ） (7). 一定质量的理想气体在等温膨胀过程中吸收的热量等于对外做的功，并不违反热力学第二定律。（ ） (8). 空调既能制热也能制冷，说明热量能够从低温物体传到高温物体。（ ） 例2. (多选)下图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，使制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化，吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是( 　) A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C.电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律 D.电冰箱的工作原理违背了热力学第二定律 二、能量的耗散和退降 1.能量耗散： 能量耗散是指其他形式的能转化为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象，能够重新收集并加以利用的不能称为能量耗散。 例如，汽车行驶时，汽油在汽缸中燃烧，高温气体的部分内能转化为驱动汽车行驶的机械能，但同时，另一部分内能被汽车排气管排出的废气带走，这部分内能就很难再被利用，即能量耗散。 机械运动总伴随摩擦力，克服摩擦力产生内能，而这部分内部也不能再被利用做功。 因此，物理过程中，一部分其它形式能转化为内能，而且不能再利用，都可称为能量耗散。 2.能量退降： 指自然界发生的各种变化中，能量的总值虽然保持不变，但是能量可被利用的价值却越来越小。 例如，机械能可以完全转化为内能而不引起其他变化，但内能却不能完全转化为机械能而不引起其他变化。所以，从机械能转化为内能时能量退降，也称能量品质的退降。 能量退降是自然界中的宏观过程方向性的体现，是热力学第二定律的