12.3能量转化的方向性 课件-2024-2025学年高二下学期物理沪科版（2020）选择性必修第三册

能量转化的方向性 想一想 同种能量间能否能发生任意转移？ 任意两种形式的能量间都能够发生100%的转化？ 蒸汽机 内燃机 发动机 热 机 一种能够将内能转化为机械能的机械。 蒸汽机 能够将内能转化为机械能的机械。 为了实现这一转化，首先需要一个拥有大量内能的高温热源，这些内能可以通过另一个温度更高的热源传递。 除此之外，人们开始设想，能否从周围环境的低温热源，如空气、海水中获得内能，进而传递给高温热源，使其温度不断升高呢？ 克劳修斯 （Rudolf Julius Emanuel Clausius） 德国，1822－1888 热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。 阐述热传导的方向性 1 克劳修斯的观点 热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。 高温物体 低温物体 自发 不需要任何第三者的介入，也不会对任何第三者产生任何影响。 阐述热传导的方向性 Q 1 克劳修斯的观点 室温下冰块会化成水 但水无法自发结成冰 热鸡蛋放入冷水中，鸡蛋的热量将自发的传递给冷水，鸡蛋温度下降，冷水温度上升。 但冷水不可能自发的传递热量给鸡蛋，使鸡蛋的温度上升，冷水的温度下降。 想一想 电冰箱在工作时，箱内温度的确低于箱外温度，而且还能继续降温直到达到设定的温度。热量的确从低温物体传递到了高温物体，那么，这一现象是否与克劳修斯的观点相违背呢？ 想一想 热量的确从低温物体传递到高温物体，但这一过程的发生存在第三者的介入：通电后工作的压缩机。 高温物体 低温物体 可以实现 不是自发 想一想 Q 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。 阐述热传导的方向性 克劳修斯 （Rudolf Julius Emanuel Clausius） 德国，1822－1888 一、热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不能从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化，但可以自发地从高温物体传递到低温物体，并能对外做功。那么，是否可以将从高温物体处获得的热量全部转化为有价值的功，而不再传递给低温物体呢？ 想一想 热机工作时的能流分配图 W ﹤ Q 热机工作时的能流分配图 若想要使W=Q，防止被“浪费”掉的热量Q2出现，就需要将这部分热量Q2传递的终端，即低温物体拿走，如此，将只剩下一个热源，热传递不再发生，也就不存在对外做功了。 由此可见，这部分热量Q2的“浪费”无法避免。 × 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。 开尔文 （Lord Kelvin） 英国，1824—1907 二、热力学第二定律的开尔文表述 阐述机械能与内能转化的方向性 二、热力学第二定律的开尔文表述 内能 机械能 自发且全部转化 无法自发 且产生其他影响 热机工作时的能流分配图 二、热力学第二定律的开尔文表述 热机效率η=×100% η＜100% 热机工作时的能流分配图 二、热力学第二定律的开尔文表述 在19世纪，汽车工业刚起步的几十年中，当时的效率仅为12%～14%。 随着科技的进步，当今大部分普通家用汽车的效率在30%～35%，最先进的可达41%，但绝不会达到100%。 三、两种表述的关系 根据开尔文表述，热机从高温热源吸收Q的热量，其中Q1的热量通过对外做功转化为机械功W，还有Q2的热量传递到低温热源。 由这一过程我们可以发现，热量是可以自发的从高温物体传递到低温物体，而且这一传递是不可避免的。 三、两种表述的关系 1、克劳修斯表述与开尔文表述是等价的。 2、热力学第二定律还有其他的等价表述，所有的表述都反映了一切与热现象相关的宏观过程的不可逆性。 一滴墨水滴入水杯中，将逐渐扩散，使整杯水均匀的变成红色。 但墨水分子不会自动的重新凝聚成一滴墨水，而使这杯水重新变清。 搓动双手，手克服摩擦力做功，将机械能转化为内能，我们能感觉到手的温度升高。 但当我们捂热水袋时，手上增加的内能并不会全部转化为手的动能，使手不自觉的动起来。 历史上曾有人想设计出一种机械，能够将内能完全转化为机械能。这种机械能否制成？ 因为违反了热力学第二定律，不可能实现。 永动机 四、第二类永动机 热力学第二定律的开尔文表述也可表示为： 第二类永动机是不可能制成的。 四、第二类永动机 五、能量退降 电动机 电池：化学能→ 电能 内能 电动机：电能→ 机械能 内能 →内能 最终所有能量均流散在环境中 五、能量退降 1 能量退降 自然界发生的各种变化中，能量的总值虽然保持不变，但能量可被利用的价值却越来越小，即能量退降了。 五、能量退降 2 节约能源 国家战略 人人有责 课堂小结 热力学第二定律 克劳修斯表述 （阐述热传导的方向性） 开尔文表述 （阐述机械能与内能转化的方向性） 第二类永动机不可能制成 能量降退 → 节约能源 课后作业 【想一想】以下关于利用海水内能做功的说法是否违反热力学第二定律，并简述理由。 （1）将海水温度降低时放出的热量全部用来做功； （2）利用海洋中不同深度处海水温度的差异将海水的内能变成功。 课后作业 【做一做】把一个压瘪的乒乓球进入开水中即可重新鼓起来。 【想一想】这一过程中，乒乓球是否从单一热源吸热对外做功？这违反了热力学第二定律吗？请简述理由。 $$