什么是热力学第二定律

第一篇：什么是热力学第二定律

《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。既然能量的总量是不变的，但为什么还说有能源危机，还要提倡节约能源呢?曾经有这样一个设想(展示幻灯片)，试图来解决我们的能源危机。

(幻灯片内容)地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1oC，将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×103J/(kg·℃)

师：请大家计算一下，上述过程将释放多少能量?

生：放出5.8×1023J的热量。

师：这相当于1800万个大亚湾核电站一年的发电量。(秦山核电站装机容量为30万千瓦、大亚湾核电站装机容量为百万千瓦)(幻灯片)

师：请大家相互讨论一下，该方案可行吗?

„„(学生分组讨论)

生1：这个方案可行，因为不违背能量守恒定律。

生2：这个方案不可行，若可行的话，科学家早就将这一想法付诸实践了。

生3：不同意2的说法。并不是我们能想到的就一定能实现的。

„„

二、提出热力学第二定律

师：那么这一想法实现的困难是技术上的障碍呢?还是理论上根本不可能?是否还存在一些除了能量的转化与守恒定律之外的一些我们还必须遵循的客观规律呢?现在让我们一起来学习本章第五节：热力学第二定律。

师：我们先从分析一组物理现象开始。请看下面的一些视频：①空气和二氧化氮气体的扩散;②烧红的铁棒浸入水中冷却;③向密闭的广口瓶中充气，将瓶塞充开;④在草坪上滚动的足球最终停下来;⑤一玻璃杯从桌子边缘摔在地面上破碎。(展示视频)

师：这些是我们眼中能看到的现象，大家能否描述一下上述现象的逆过程?并判断这些逆过程可能实现吗?注意语言表述的准确性，大家相互讨论一下。

„„(学生分组讨论)

生1：现象①的逆过程是均匀混合的空气与二氧化氮气体过一段时间变的泾渭分明：上面是空气，下面是二氧化氮。该过程不可能。

生2：现象②的逆过程是浸在水中的铁棒过一段时间后吸收水的热量变红了，而水温降低了。该过程不可能。

生3：现象③的逆过程是从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中，瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的压强。该过程不可能。

生4：现象④的逆过程是静止在草坪上的足球自动地吸收草地的热量转化为足球的动能，足球滚了起来。该过程不可能。

生5：现象错误!链接无效。的逆过程是碎在地面上的玻璃杯自动地变成完整的杯子，并跳回桌面。该过程不可能。

师：所有的这些现象有何共同特征?

生：都是不可逆的。

师：既然在不同的现象背后存在着一个共同特征，那么就应该存在着一个普遍的客观规律。事实上，许多科学家已经从不同的角度分别进行了归纳总结，提出了热力学第二定律。

三、热传导过程分析──克劳修斯表述

师：分析诸如②的热传导过程，要发生热传导必须具备什么条件?

生：要有温度差。

师：那么自发的热传导过程有什么特征?

生：总是从高温物体向低温物体传导。

师：热量能否从低温物体传导到高温物体?

生1：不能，诸如②中不可能出现铁棒变红、水温降低的现象。

生2：可能的，电冰箱工作时就是将热量从低温环境传导到高温环境。

师：很好，让我们一起来分析电冰箱的工作过程。请考虑三个问题：一是电冰箱中热量传导的方向性;二是电冰箱中这种热量传导有没有条件?三是分析电冰箱工作时能量转化情况。请大家相互讨论一下。

„„(学生分组讨论)

生1：电冰箱工作时是将热量从低温环境传到高温环境;

生2：只有在电冰箱插上电源后，才能实现上述热量传导过程;

生3：电冰箱工作时，消耗了电能。

师：电冰箱工作时，消耗了电能，再考虑电冰箱制冷剂在箱内吸收的热量与在箱外释放的热量，该过程中能量守恒吗?

生4：能量肯定是守恒的，也许释放到电冰箱外的热量大于在电冰箱内吸收的热量。

师：你的说法不错，诸如过程②和电冰箱的工作过程可以用下面的流程图来表示：

可见，热量传导可以从低温物体到高温物体。可以设想，拔掉电源的冰箱是不可能达到制冷效果的，也就是下面的过程不可能：

(展示幻灯片)

师：早在1850年德国物理学家克劳修斯总结了热传导过程的规律，称之为热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。请大家再将这一意思换一种表述方法。

生：也可以说成：热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。

四、功热转化过程分析──开尔文表述

师：足球在草坪上滚动最终停下来，试分析该过程中的能量转化情况。

生：足球的动能转化为内能。

师：再比如小球从高处落下掉进沙坑，能量的转化情况怎样?

生：小球的机械能转化为内能。

师：机械能可以全部转化为内能，那么内能能否转化为机械能?

生1：不能，因为上面的过程是不可逆的。

生2：可以的，热量可以由高温物体传到低温物体，但也可以由低温物体传到高温物体。

师：你的类比不错。这一问题先搁一下，我们再分析两个实例：一是热机;二是内燃机。(展示flash动画)

请观察热机与内燃机的工作流程，并分析能量转化的情况。

生1：热机工作过程中，锅炉中的水被加热变成水蒸气，水蒸气推动汽缸活塞对外做功，然后排出的尾气经过冷凝器变成液态水回到锅炉。该过程中的能量转化过程是：煤的化学能转化为水蒸汽的内能，再变为活塞运动的机械能。

生2：内燃机工作过程中，先吸入空气与汽油的混合气体，接着活塞向上运动压缩混合气体，点火后混合气体爆炸，推动活塞对外做功，最后将汽缸中的尾气排出。该过程中混合气体的内能转化为机械能。

师：以上两个过程都存在内能转化为机械能的现象。请分析这些过程中，内能全部转化为机械能吗?

生3：不能，因为机械装置存在摩擦损耗，要消耗部分能量。

生4：从汽缸中排出的尾气也带走了部分能量。

师：这样看来，机械能与热能之间的转化也可以用下面的流程图来表示：

(展示幻灯片)

师：热机或内燃机就是从高温热源吸收热量Q1，其中对外做功为W，到低温热源放出热量Q2。这一过程是通过工作物质如水蒸气、汽油和空气混合气体的燃烧等来完成，这些工作物质简称为工质。即使将摩擦损耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾气带走的热量。在1851年，开尔文就功与热的转化提出了：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不产生其它影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。所以热机、内燃机的效率总有：。即下面的过程是不可能完成的：

(展示幻灯片)

师：大家能否就开尔文表述换一种说法?

生：不可能有效率为100%的热机。

师：这种说法更简洁。事实上，一般的汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60% 。

五、热力学第二定律的实质

师：热传导过程与功热转化过程的分析，得到了热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述的共同点是什么?

生：都指明了物理进程的一种方向性。

师：不错，热力学第二定律的实质就是指明了自发的宏观热现象具有方向性。任何一类宏观自然过程进行方向的说明可以作为热力学第二定律的表述。请观察扩散现象、气体向真空扩散的过程(展示幻灯片)。大家能否结合这些现象给出热力学第二定律的其他表述呢?

生1：热力学第二定律也可表述为：扩散过程是不可逆的。

生2：热力学第二定律也可表述为：气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的。

师：这些说法都不错，当然还有其他不同的表述，所有的这些表述都是等价的。请同学们课后相互讨论交流。

六、回顾与思考

师：现在让我们来回顾一开始提出的设想：能否利用海水降温的方法获取有用功?

生1：不行，该过程尽管不违背能量守恒定律，但却违背了热力学第二定律。

师：违背了热力学第二定律中的哪种表述?

生2：违背了开尔文表述。即不可能从海水这单一热源吸收热量，使之变为有用功，而不产生其他影响。

师：不错。但是在没有发现热力学第二定律之前，有许多科学家就试图制造诸如此类的机器，这称之为第二类永动机。现在看来，第二类永动机也不可能实现。开尔文表述是从功能关系来表述的，因此开尔文表述也可说成：第二类永动机不可能实现。可见我们不仅要受制于能量的转化与守恒定律，还要受到能量转化方向的制约。也可以说热力学第一定律指明了我们所拥有的“资本”总量;热力学第二定律则规定了我们“资本”运营的方式和方法。

课后请同学们再利用热力学定律说明开始的五个视频的逆过程为什么不能完成，并完成教材后的问题与练习题。

【教学反思】

与热力学第一定律不同的是，热力学第二定律与日常的生活、学习较远，并且热力学第二定律的两种表述实质上是通过大量实例归纳出来的，因此教学过程中利用好学生熟悉的热学现象和曾经接触过的物理模型就非常重要。而课堂中学生积极主动地发表个人的看法，不管是对的，还是错的，都对本课达成教学目标起到的推进作用。教学中利用流程图形象地将能量转化与守恒的特征与转化的方向性特征并重地表示出来，并从多角度描述热力学第二定律，有效地帮助学生建构了比较完整的宏观热学规律体系。

第二篇：热力学的第二定律的认识和思考

仲恺农业工程学院

论文题目： 热力学的第二定律的认识和思考

论文作者： 钟家业

作者学号：

所在院系： 机电工程学院

专业班级：

指导老师：

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热力学的第二定律的认识和思考

摘要

热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热永远都只能由热处转到冷处(在自然状态下)。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。广义生命演化意义上的熵，体现了生命系统衰落的过程。

关键词 热力学第二定律,第二类永动机，熵，时间，生活

1. 热力学第二定律及发展

1.1、热力学第二定律建立的历史过程

19世纪初，人们对蒸汽机的理论研究还是非常缺乏的。热力学第二定律就是在研究如何提高热机效率问题的推动下，逐步被发现的，并用于解决与热现象有关的过程进行方向的问题。1824年，法国陆军工程师卡诺在他发表的论文“论火的动力”中提出了著名的“卡诺定理”，找到了提高热机效率的根本途径。从1840年到1847年间，在迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的努力下，热力学第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起来了。1848年，开尔文爵士(威廉·汤姆生)根据卡诺定理，建立了热力学温标(绝对温标)。这些为热力学第二定律的建立准备了条件。 1850年，克劳修斯从“热动说”出发重新审查了卡诺的工作，考虑到热传导总是自发地将热量从高温物体传给低温物体这一事实，得出了热力学第二定律的初次表述。后来历经多次简练和修改，逐渐演变为现行物理教科书中公认的“克劳修斯表述”。与此同时，开尔文也独立地从卡诺的工作中得出了热力学第二定律的另一种表述，后来演变为更精炼的现行物理教科书中公认的“开尔文表述”。上述对热力学第二定律的两种表述是等价的，由一种表述的正确性完全可以推导出另一种表述的正确性。他们都是指明了自然界宏观过程的方向性，或不可逆性。克劳修斯的说法是从热传递方向上说的，即热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不可能从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。利用致冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体，但是外界必须做功。开尔文的说法则是从热功转化方面去说的。功完全转化为热，即机械能完全转化为内能可以的，在水平地面上运动的木块由于摩擦生热而最终停不来就是一个例子。但反过来，从单一热源吸取热量完全转化成有用功而不引起其他影响则是不可能的。[1] 1.2、热力学第二定律的表述

1.2.1、 热力学第二定律的开尔文表述

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热力学的第二定律的认识和思考

不可能从单一热源吸取热量, 使之完全变为有用的功而不产生其他影响。这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的。表述中的“单一热源”是指温度均匀并且恒定不变的热源。若热源不是单一热源，则工作物质就可以从热源中温度较高的一部分吸热而向热源中温度较低的另一部分放热, 这实际上相当于两个热源。“其他影响”是指除了单一热源所吸收的热用来作功以外的任何其他变化. 当有其他影响产生时 ,把由单一热源吸来的热量全部用来对外作功是可能的。开尔文表述还可表达为：第二种永动机是不可能造成的。所谓第二种永动机就是一种违反开尔文表述的机器,它能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响, 但这种机器不违反能量转化与守恒定律。如果这种热机能够制成,那么就可以利用空气或海洋作为热源，从它们那里不断吸取热量而做功。果真如此,令人头痛的能源问题也就解决了,因为海洋的内能几乎是取之不尽的。 1.2.2 热力学第二定律的克劳修斯表述

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。这是按照热传导的方

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热力学的第二定律的认识和思考

向性表述的。可以证明, 热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等效的。热力学第二定律是总结概括了大量事实而提出的,由热力学第二定律作出的推论都与实验结果符合，从而证明了这一定律的正确性。经验告诉我们, 功可以完全转变为热,而热力学第二定律指出,要把热完全变为功而不产生其他影响则是不可能的。但这一结论由热力学第一定律是得不到的，因为无论功变热或热变功都不违反热力学第一定律。经验还告诉我们 ,当两个温度不同的物体互相接触时,热量由高温物体向低温物体传递。但是热力学第二定律的克劳修斯表述指出，热量不可能自发地由低温向高温传递。而这一结论也是不能从热力学第一定律得到的,因为这个过程也不违反热力学第一定律。由此看出 ,热力学第二定律是独立于热力学第一定律的新规律 ,是一个能够反映过程进行方向的规律。热力学第二定律说明物体的内能不能完全地(在不产生其他影响下)转变为功，相反，功却可以完全地转变为物体的内能。因此，功转化为内能的过程带有单向性，是不可逆的。在自然界中存在着大量的不可逆现象，例如，热量从高温物体自发地传向低温物体 ,气体自发地向真空膨胀, 两种气体自发混合( 互扩散) 等 . 显然热力学第二定律隐含地指出了其他不可逆过程的单向性。所以 ,热力学第二定律是所有单向变化过程的一般规律。

下面我们从反面来说明这两种说法的确是等价的：

①如果我们否定克劳修斯的说法，认为热量可以自发地从低温物体B传向高温物体A，见图4-1(a)的示意图，设这个热量为Q，我们再设想有一个卡诺热机，从高温热源A吸取热量Q，一部分转化为有用功W，另一部分Q′传给了低温热源B，这样的整个过程中，高温热源A没有发生变化，相当于只从低温热源B吸收了(Q-Q′)的热量而全部转化为有用功，而不产生其他影响，从而开尔文的说法也就被否定了。

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热力学的第二定律的认识和思考

②反过来，如果我们否定了开尔文的说法，认为可以从单一热源A吸取热量，全部转化为有用功而不产生其他影响，见图4-1(b)的示意图，设这部分热量为Q1，做的有用功为W1(Q1-W1)，我们再设想这部分有用功是带动一个理想的致冷机工作，它从另一个低温热源B处吸收热量Q2，向热源A放出热量Q1′，则满足Q1′=Q2+W1，而Q1=W1，所以Q1′=Q2+Q1。这样，总的效果相当于从低温热源B处吸收了热量Q。，向高温热源A放出的热量Q1′，在补偿了Q1以后，正好也是Q2，这就等于热量Q。自发地从低温热源B传向了高温热源地并没有发生其他变化，这就否定了克劳修斯的说法。

1.2.3 热力学第二定律的普遍表述

1865年，克劳修斯引进“熵”的概念来反映这种运动变化的过程和方向, 从而可以从数学上严格地表述热力学第二定律。“熵”一词来源于希腊语 entropia, 原意是转换 ,中文意思是热量被绝对温度除所得的商。克劳修斯指出,在一个孤立系统(或叫封闭系统)内, 熵的变化总是大于或等于零, 也就是说，孤立系统的运动变化总是要沿着使熵增大的方向进行, 最后的平衡状态则对应于熵的最大可能值。于是热力学第二定律的最普遍表述为：可以找到这样一个态函数——熵 ,它在可逆过程中的变化等于系统所吸收的热量与热源的绝对温度之比;在不可逆过程中, 这个比值小于熵的变化。即对于无穷小的过程 ,有

(1)

结合热力学第一定律得

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热力学的第二定律的认识和思考

( 2) 在( 2) 式中 , 等号对应于可逆过程, 不等号对应于不可逆过程。这个式子是热力学理论的基本方程。假设过程是绝热的, 即 dQ=0,则由( 1) 式得到

( 3) 由此可见, 在绝热过程中, 系统的熵永不减少。对于可逆绝热过程, 系统的熵不变; 对于不可逆绝热过程,系统的熵总是增加,这个结论叫做熵增加原理。根据熵增加原理 ,任何自发的不可逆过程 ,只能向熵增加的方向进行，于是熵函数给予了判断不可逆方向的共同准则. 既然从非平衡态到平衡态的过程中，熵总是增加，那么系统越接近平衡态，其熵值就越大，所以熵的数值就表征系统接近稳定平衡态的程度。

1.3、热力学第二定律的适用范围

1.3.1 经典热力学第二定律及其适用范围

热力学第二定律是十九世纪中叶由W·汤坶孙(开尔文爵士)和克劳修斯在研究卡诺的热机理论和热功转换问题时提出来的。他们分别提出了自己的表述，并证明了这两种表述是等价的。后来，普朗克等人还提出了一些表述，同样也进行了等价性证明。热力学第二定律的这种表述的多样性与物理学的有些定律不一样。它是以一个实际过程的不可逆性来表述一个普遍的自然规律。即自然界的一切实际过程自发进行都沿一定的方向(具有单向性)。或者说一切实际过程都具有不可逆性。

两种经典表述都提到的“不产生其它影响”的条件及前面所说的“自发进行”意眯着：所研究的实际过程是在孤立系中进行的，孤立系中这些过程具有单向性。克劳修斯经过十多年的努力，终于找到了热力学第二定律的数学表述，这就是著名的熵增原理 ：孤立系的熵永不减少。(若Q=0，刚△s≥0 ) 由于孤立系的熵只能增加，即系统只能沿退化的方向进行。这与自然界和人类社会的实

际演化过程相矛盾。因而热力学第二定律自然不适用于生命现象和社会现象这样一些不断进化的领域 。

克劳修斯等人将热力学第二定律外推到宇宙，得出了 “宇宙的熵趋于一个极大值”的命题。这就是著名的“热寂说”，即全宇宙最终将达到热平衡。长期以来，人们一直认为字宙是静态的，在时间上无始无终，似乎早该处于热寂了。而实际情况正好相反。这自然遭到了当时许多著名的科学家和哲学家的批判。其中一个重要的论点

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热力学的第二定律的认识和思考

是：热力学第二定律是在有限的宏现系统中得出的规律，不能外推到无限宇宙。因而，长期以来都认为热力学第二定律不适用于宇观系统。这一论点现在还在大多数教科书与文献中出现。

1.3.2 “宇宙膨胀”模型与“热寂”佯谬的消除

“ 热寂说 ”以及对它的批判，都是建立在当时人们对宇宙的认识基础上的。对它的批判总使人感到说服力不强。例如有限条件下得到的结论，就同样有外推成功的先例。热力学第一定律的外推，得出的宇宙的能量守恒就被认为是正确的。上世纪二十年代，以美国天文学家哈勃观察到的星系红移现象为基础而建立起来的大爆炸宇宙学使我们认识到，我们所能观察到的宇宙并不是静态的，而是在不断膨胀。在此基础上，七十年代以后，人们又重新对热寂说进行了考察，发现随着宇宙的膨胀，由于粒子与辐射的温度随膨胀的线度的变化规律不同，即使宇宙最初处于温度均匀的热平衡状态，也会随着膨胀而出现温差，从无序向有序变化，而不会热寂。另一方面，如果宇宙是静态的，则对每一个静态体系总有一个最大熵。而对膨胀的宇宙 ，每一瞬时对可能达到的最大熵也是不断增加的。只要膨胀得足够快，宇宙实际的熵与最大熵的差异就会越来越大，宇宙离热寂也会越来越远。而不管宇宙是否是有限的和孤立的。这样 “热寂佯谬”就以这出入意料的方式迎刃而解了。人们这才发现，“热寂说”的问题是出在人类对宇宙的认识上，而不是出在热力学第二定律的外推上。这样一来，热力学第二定律不适用于宇观系统的限制也就自然解除了。1972年霍金证明黑洞过程的不可逆性和贝肯斯坦引入黑洞熵， 建立黑洞热力学，正是热力学第二定律在宇观系统成功运用的范例。 1.3.3 微观系统同样存在不可逆性

如前所述，我们知道热力学第二定律是研究不可逆这一自然现象的科学规律。经典热力学研究的是固体、液体、气体等由大量微观独子(原子、分子、离子) 组成的宏观系统的性质及其变化规律的学问。而不可逆性正是这些系统的共性，是大量粒子的集体行为。但是，自然界是分层次的，宏观和微观也是相对的。在每一个层次上的系统都可以认为是由下一个层次的大量子系统所组成。因而不可逆性不应该只存在于某一个特殊的层次中。例如，一个生物群体可以看成是由大量的生物个体组成的系统，一个生物个体也可以看成是由大量的细胞组成的系统，而细胞同样可以看成是由大量的生物分子所组成的系统。在这些不同的层次上，不可逆性都同样存在细胞的不断老化;个体的生老病死;群体的演化发展。现在我们都可以用由热二律发展起来的耗散

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热力学的第二定律的认识和思考

结构理论来对它们进行研究。同样，我们知道：原子、分子等微观粒子也存在着内部的层次和结构。而且我们还知道许多原子存在着放射性衰变现象。1968年美国的菲奇和克罗宁在K介子衰变实验中也发现了时间对称性的破坏。 大统一理论还预言，像质子这样的基本粒子也可能是不稳定的，只不过其衰变周期非常长而已。这些都表明：不可逆性同样也存在于微观领域。所以，笔者认为，热力学第二定律既然是用来描写不可逆性这一广泛存在的自然现象的统一规律，就应该可以用来研究微观领域的不可逆性。当然，将热力学第二定律向微观领域的拓展还有待人们的进一步努力。

2热力学第二定律的一些应用

2.1 对时间的理解

我们知道, 热力学第二定律是所有单向变化过程的一般规律,而时间的变化是一个单向的不可逆过程，因此可以说：时间的方向，就是熵增加的方向。这样，热力学第二定律就给出了时间箭头。进一步研究表明，能量守恒与时间的均匀性有关，这就是说，热力学第一定律告诉我们，时间是均匀流逝的。这两条定律合在一起告诉我们：时间在向着特定的方向均匀地流逝着。

2.2黑洞热辐射的发现

1972年，英国物理学家霍金( S. Hawking ,1942-) ，提出了黑洞的“面积定理”。证明了黑洞的面积随时间的变化只能增加，不能减少，即δA≥0(式中A为黑洞面积)。这不由使人想起热力学中的“熵”。但黑洞面积与熵是风马牛不相及的两个概念, 把它们联系起来是不是太荒唐了呢?几乎与此同时, 物理学家贝根斯坦和斯马尔 ,各自独立地得出了关于黑洞的一个重要公式。即

式中 M 、J 、Q 分别是黑洞的总质量、总角动量 、总电荷; A 、Ψ、V 分别是黑洞的表面积、转动角速度和表面上的静电势，k称为黑洞的表面重力加速度。此式与热

力学第一定律表达式

非常相似。式中U、T、S分别是系统的内能、温度和熵 ; Ω、J 、V、Q 等物理意义与前式类似。不难看出, 黑洞面积A确实像熵S ,而黑洞的表面重力加速度k非常像温度T。难道黑洞真的有温度

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热力学的第二定律的认识和思考

吗?为此人们进行了热烈的争论。1973年霍金、巴丁、卡特等卓有成就的黑洞专家联名发表了一篇论文 ,声称：可以模仿热力学定律给出黑洞力学的定律，但黑洞的温度不能看作真实温度，因为黑洞没有辐射(不可能有任何物质跑出黑洞!)。但是,几个月后霍金就宣称 ,他已证明 ,黑洞有热辐射 ,黑洞的温度是真实的, 其值为

式中 kB是玻尔兹曼常数。对于一个 M =M s(太阳质量)的黑洞, T = 6×10 -8 K ,可以忽略不计;而对于一个质量为 10亿吨的小黑洞, 温度可达 10 12 K。黑洞热辐射的发现 ,是黑洞研究的重大突破，也是时空理论的重大突破。

2. 3 耗散结构理论的形成

比利时著名物理学家普利高津( I . Prigogine , 1917- )认为热力学第二定律是自然界的一条基本规律。他在不违背热力学第二定律的条件下, 找到了开放系统由无序状态变为新的有序状态的途径。他指出 ,开放系统的熵变为dS =dS i + dSe ,其中 dSi为熵产生，由系统内部不可逆过程产生;dSe为熵流, 由系统与外界交换能量或物质所引起。熵产生dSi永远不可能为负值 ,而熵流dSe则可正可负还可为零。由于外界有负熵流入，系统的总熵可以保持不变乃至减小, 系统保持稳定或者达到有序,形成“耗散结构”。他认为，宇宙是一个无限发展的开放系统, 自然界不会变得越来越无序, 而会变得越来越丰富多采 ,会形成各种新的有序结构, 宇宙不可能处于“热寂”。从目前天文观测的事实来看, 宇宙确实不是向着热寂发展, 而是离开热平衡态越来越远。

3 热力学第二定律的统计意义[3] 3.1 系统的宏观态与微观态

宏观态---热力学状态

宏观: 微观粒子不可分辨,以分子数目来区分状态 .微观态---大量分子系统的力学运动状态(ri,vi)

微观: 可区分具体的分子.

宏观态与微观态是系统同一状态的两种描述方法

. 宏观概率/热力学概率Ω: 每一宏观态所包含的可实现的微观态的数目

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热力学的第二定律的认识和思考

例: abcd四个分子在容器的分布

3.2自由膨胀

(N: 总分子数) N=1:

退回到左边的概率是1/2

N=2: a,b 两个分子

退回到左边的概率是1/4

N=3: a,b,c三个分子

退回到左边的概率是1/8

10

热力学的第二定律的认识和思考

N=4: a,b,c,d 四个分子

退回到左边的概率是1/16

N ~NA=6.02×1023 ,退回到左边的概率是 概率太小, 不可能实现. 微观状态: 按具体分子来分 宏观状态: 按分子个数来分

微观状态数: 16 宏观状态数: 5  随着分子数N的增加,分子在A、B两室平均分配的宏观状态所包含的微观状态数目越来越多

 当N ~NA=6.02×1023时,分子在AB两室平均分配的宏观状态所包含的

微观状态数目/总的微观状态数目~100% [2]

3.3 热力学第二定律的统计表述

自由膨胀的方向: 概率小的宏观状态 →概率大的宏观状态

包含微观状态数目少的宏观状态→包含微观状态数目多的宏观状态

热力学第二定律的统计意义: 一个不受外界影响的封闭系统, 其内部发生的过程总是由概率小的宏观状态向概率大的宏观状态进行, 由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行

11

热力学的第二定律的认识和思考

. 热功转换：

功 → 热

分子有规则定向运动 → 分子无规则运动

适用范围 :

(1) 只适用于包含有大量分子的热力学系统, 对少量分子组成的系统是不适用的.

(2) 只适用于有限空间的封闭系统. 3.4熵与宏观概率Ω------ 玻耳兹曼公式

S=klnΩ

其中 k---玻耳兹曼常数 Ω---宏观状态所包含的微观状态数目 例.1mol理想气体自由膨胀的熵变

.

12

热力学的第二定律的认识和思考

推导: 热力学角度: 非平衡态→平衡态

S小 → S大

统计角度: 概率Ω小→概率Ω大 S = f(Ω) S=S1+S2=f(Ω1)+ f(Ω2) S = f(Ω)= f(Ω1·Ω2) ∴f(Ω1·Ω2)=f(Ω1)+ f(Ω2) 数学上可以推出: S = f(Ω)∝lnΩ

S = klnΩ

3.5 与无序度的关系

无序度---混乱程度

无序度低 (有序度高), 则概率小→S 小 无序度高 (有序度低), 则概率大→S 大 自然过程：概率小→概率大 S小 → S大

例：

有规则定向运动 → 无规则运动

3.6 熵函数的微观意义(与熵增原理的关系) [4]

(1) 熵与宏观状态所包含的微观状态数目相联系

(2) 熵是(宏观态所对应的大量微观粒子热运动所引起的)无序程度的定量量度. (3) 熵增的方向即向微观状态数多的宏观状态转变的方向, 使系统更混乱, 更无序

4 热力学第二定律的思考

4.1热力学第二定律与时间反演性

13

热力学的第二定律的认识和思考

时间T到-T的变换叫做时间反演，这相当于时间倒流，在力学中保守系具有时间反演性，而“耗散系”不具有时间反演性。“耗散”是 一个宏观的概念，几乎所有的微观过程都是可逆的，而从微观过度到宏观过程就可能变为不可逆的过程。在“耗散”系中能量的转变设计热力学过程，相当于从宏观看来具有整体的能量转化为杂乱无章的分子热运动动能和分子势能。而在“保守系”中能量没有转化为杂乱无章的热运动动能和势能，只在动能和势能之间转化。

4.2理解时间的流逝

热力学第二定律是自然界所有单方向变化过程的共同规律，而时间的变化就是一个单向的不可逆的过程，因此可以这样假设：时间的运动方向，就是熵增加的方向。由此，热力学第二定律就给出了一个时间箭头，通过进一步研究表明，能量守恒与时间的均匀性有关，即热力学第一定律告诉我们，时间是均匀流逝的。这两条定律合在一起就是：时间在向着特定的方向均匀地流逝着。

4.3 在信息熵中的应用

人类在长期的电讯通信实践中，不断在力图提高通信的有效性和可靠性。提高有效性就是尽可能用最窄的频带，尽可能快和尽可能降低能耗，即提高通信的经济性;高可靠性，就是要力图消除或减少噪音，以提高通信的质量。随着电子通信发展到一定阶段后，人们在实践中发现，在一定的条件下，要同时实现上述这两个要求，会遇到不可克服的困难：要减少噪音的干扰，信息传输速率就得降低;反之，提高了传输速率就不能有效地避免噪扰，在一定的具体的客观条件下，想要同时提高电讯通信的效率和可靠性的企图总是失败的。于是有人想到在限定的条件下同时提高通信的效率和可靠性的要求可能存在一种理论上的界限。1948年，美国贝尔电讯实验所的工程师申农提出了了一个数学模型，对于信息的产生和传输这些概念从量的方面给以定义，提出了信道和信息量等概念，利用熵的形成导入了信道容量这一新的重要概念，并且确定了信号频带宽度、超扰值和信道传输率三者之间的一般关系。从而，我们可以用信息熵来描述信道上传输信息的容量。这就是热力学第二定律在信息传输技术中的一些应用。[2] [5] 4.4 与生命活动的联系

在生命自然演化的意义上，熵概念的本质是生命系统(机体)创造机能下降，熵增的过程是生命系统自衰落至死亡的老化过程。如果我们以单一的生命体作为一个

14

热力学的第二定律的认识和思考

系统，那它是一个开放系统，与环境既有物质交换，也有能量的流通;基于此，而生命体可以进行众多的生命活动，而这又是为了摄取“负熵”——或者认为是通过外界的能量来减少生命体本身的熵，就如同一个热机与另外的热库进行热交换使这个系统恢复到原始状态。如果这么看似乎无法满足熵增原理中条件“孤立系统”，但是，每个生命体都必须维持自己生命活动的稳定性状态，也就是生命学中的“稳态”，而这个状态则必然与整个环境相不同，因此当我们粗略的看待一个生态系统时，可以将这个生命体当作“孤立系统中的一份子”。

从物质能量流动的角度讲，生命过程是一个物质能量的传输和集中过程，物质能量的集中就是生物的生长。当生物不再生长时，生物的生存过程就是纯粹的物质能量传输过程。从热力学的角度讲，生命过程可以认为是一个符合热力学第二定律的区域性的自发的熵减过程，在包括生命体及其生存环境的总系统中，熵是增加的。熵减过程就是生物的生长过程。当熵减过程结束后，维持已有的负熵值的过程就是生物的生存过程。为了生产负熵，更为了维持已有的负熵值，系统必须始终存在一个熵增的物质能量传输过程。新陈代谢过程中，除了包含有一个熵减的物质能量集中过程外，还包含了一个使生物生长不违反第二定律的熵增的物质能量的传输过程。显然，只有当生命系统是一个与外界有物质和能量交换的开放系统时，符合第二定律的熵减过程才有可能发生。下面我们简单地通过生命体生存发展的几个过程加以阐述：

(一)生 从一个受精卵开始，生命体拥有了一个属于自己的系统，这个系统独立于所生活的自然，而生命的一个必然进程就是“抵抗熵增”——为了避免死亡而摄取“负熵”。

(二)老 薛定谔在他著名的《生命是什么》一书中，认为生命体是“以负熵为生的”。生命体为了维持它的有序结构，必须“吃进负熵”，耗散结构理论的创始人普里高津也认为，系统的熵由系统自身不断产生的正熵和外界流入系统的熵两部分组成。因此，要维持一个有序的、具有负熵值的系统，则必须由外界不断的向系统输入负熵。正是指这个道理，衰老是一个长期的持续性的过程，为了对抗这个过程，吸取负熵是其途径，不同的生命体吸取负熵的方法不同，对于绿色植物则通过光合作用来减少自身的熵，而对于动物(当然包括人类)来说，食物就是负熵，这就是我们需要不断进食的原因所在。之所以食物是负熵，其实更准确的说法是将食物中的能量用于减少生命体自身的熵，类似于一个热机与另外的热库进行热交换使这个系统恢复到原始状态这个过程。实际上，进食摄取能量进而回归机体稳态就是生命的主要意义。 但

15

热力学的第二定律的认识和思考

是摄入负熵的能力会随着时间而减弱，当人类摄入的负熵少到体内的平衡受到破坏时，体内的熵达到了一个限度时人的生命也就要终结了。而这之前“摄入负熵能力下降”的过程就是衰老。

(三)死 生命的结局是什么?对于这个问题，很简单，就是死亡，也可说是同化，尘归尘，土归土，将生命中的物质，能量回归系统，与系统同化，而物理学中指出，这种想对于独立的混合具有更大的混乱度，其所拥有的熵也是最大的，这是整个系统遵循热力学第二定律的必然结果，所以“死亡”、“同化”、“熵增”是必须的，不可违抗的，生命的活动是一个不可逆的过程，因为这个系统必须遵循热力学中熵增的规律。

5 总结

我们把自然生命系统和工程热力系统演化的熵称为“机体熵”或“机能熵”，也可以称为“系统熵”。这是真正意义上的熵，具有广义生命演化意义上的熵，体现了生命系统衰落的过程。通过上述的讨论，我们已经感觉到，生命现象的物理学解释，或者更具体的讲，生命现象的热力学解释，生命现象的物质能量流动解释，已使我们可以在一定程度上理解和把握生命的本质，显然，上述的关于生命现象的物理解释，才仅仅是一个开端，许多问题还没有说明，本文试图从物理学的角度、从物质能量流动的角度对生命现象给出一些解释。但就我目前所掌握的物理学方面的知识而言，还无法就上述所有问题给出明确的解释。因此，本文只能给出一些粗浅的解释，但也是基本的解释，我想，热力学第二定律的意义已经远远超出了热力学的范围，用热力学第二定律解释生命活动的本质则是一个非常有趣的过程，不仅加深了对这条定律的理解，同时也让人看到了科学的美。如果能沿着这样一个思路深入挖掘，必将会对生命体生存发展有更深入的理解，这一议题对于人类社会的发展也将产生非常重要的影响。

参考文献：

1、《物理学史》. 郭奕玲, 沈慧君. 北京: 清华大学出版社, 1993.

2、《改变世界的物理学》. 倪光炯等著. 上海: 复旦大学出版社, 1999

3、《热力学与统计物理学》，龚昌德编，高等教育出版社，1984年版。

4、《热学》李椿、章立源、钱尚武编，人民教育出版社，1982年版。

5、《现代物理知识》，2001年第3期。

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读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。——颜真卿

7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。

8、读书要三到：心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒废。——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿

17、学习永远不晚。——高尔基

18、少而好学，如日出之阳;壮而好学，如日中之光;志而好学，如炳烛之光。——刘向

19、学而不思则惘，思而不学则殆。——孔子

20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。——培根

第三篇：高二物理教案分子热运动 能量守恒-热力学第二定律2

热力学第二定律

教学目标

①、了解热力学第二定律的发展简史，

②、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成。 ③、了解热传导的方向性，

④、了解热力学第二定律的两种表述方法，以及这两种表述的物理实质， ⑤、了解什么是能量耗散 教学重点

热力学第二定律及所反映出的热现象的宏观过程的方向性。 教学难点

热力学第二定律中所描述的 "不发生其他变化" 教学方法

多媒体辅助教学，分析讨论讲解相结合 教学器材

多媒体演示系统、自制电脑教学软件 教学过程

一、引入新课

1、复习提问

①热力学第一定律的内容是什么? ②第一类永动机为什么没有制成? ③能量守恒定律是怎样表述的?

2、引入新课

教师说明：在能量守恒定律中，存在着能量的 "转移"和 "转化"，具体到热力学第二定律，内能和内能之间存在着"转移"以及内能和机械能之间也存在着"转化"的过程，引入课题：热力学第二定律。

二、新课教学

(一)内能的转移

内能转移实质就是热传递。 举例：

1 冰箱中的冰激凌在停电时的融化过程，引导学生分析融化的原因。 (热量可以从高温物体传递给低温物体)

2 冰箱里的冰激凌在冰箱正常工作时并没有融化。

进一步引导学生思考热量只能从高温物体传递给低温物体这种说法是否妥当。如果不妥当应该怎样说。从而得出所谓的热量从高温物体向低温物体传递是一个自发的过程，热量从低温物体向高温物体转移需要其他的物理过程参与。以模拟动画说明内能转移过程的方向性)得出热力学第二定律克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他变化。

内能转移过程的方向性

说明: 不产生其他变化是指没有其他物理过程参与

(二)内能和机械能之间的转化

瓦特蒸汽机的发明说明人们开始了热机理论的研究，("热机"就是一种把内能转化为机械能的机械)

1824年，卡诺在《论火的动力》中指出 "凡是有温度差的地方就能够发生动力" 1834年，克拉珀龙把卡诺这一思想几何化为"卡诺循环" 热机从高温热源吸收热量Q，其中一部分对外做功W，另一部分被释放给低温热源，根据能量守恒定律

Q1 = Q2 + W η=W/ Q1 = (Q1- Q2) /Q1 =1 - Q2/ Q1

可以知道Q2 越少，η越高

于是人们就考虑能否让Q2不存在，这样就可以产生一个η=100%的热机，就可以产生另一种永动机，可以看到这种机械并不违反能量守恒定律，这一类永动机叫第二类永动机。 第二类永动机：能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化的机械。

如果这一类永动机能够制成，它就可以从外界诸如空气、海洋、土壤等单一热源中不断地吸取能量，而对外做功。众所周知在空气和海洋中内能是取之不尽的，这样的话飞机不用带油箱，轮船不用带燃料。人们为此做出了许多努力，做了大量的尝试，但是第二类永动机始终还是没能制成。伴随着一次次的失败，终于认识到第二类永动机是不可能制成的。 这个结论是开尔文首先提出来的。

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，而不产生其他变化。即:第二类永动机是不可能制成的。

说明热力学第二定律两种表述形式实质是一样的，只是侧重角度不同：

1、克劳修斯表述体现热传导的方向性

2、开尔文表述体现机械能和内能之间转化的方向性 能量耗散

引导学生阅读46页能量耗散的内容并归纳出自然界中的能量有的便于利用而有的不便于利用，内能作为能量发展的最终形式是没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。

举例：电能转化为光能再转化为内能：烤火时高温物体的内能变为低温物体的内能都是无法将散失的内能重新再利用能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性。说明能量耗散不是能量损失，只是可便于利用的能量减少了。 第四环节：强调"方向性"进行小结，使课堂难点、重点突出。

总结扩展：热力学第二定律提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。

说明：不仅仅在物理上存在这种"方向性"，在其他领域也都存在。比如：化学中的不可逆反应;生物中的进化过程的不可逆都说明了这一点。

第五环节：思考练习：以简答的形式来巩固"方向性"和对热力学第二定律内容的理解。

第四篇：高中物理《热力学第二定律》教案2 新人教版选修3-3

六 热力学第二定律

【教学目标】

1、 了解热传导过程的方向。

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不同的表述以及这两种表述的物理实质。

4、 指导学生分析事例，培养学生分析问题和理论联系实际的能力 【重点、难点分析】

1、热力学第二定律表述的物理实质

2、自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 【课时安排】 一课时 【课前准备】

一盆凉水，准备一个酒精灯和一个铁块，铁钳 【教学设计】

引入新课

我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量;当物体温度降低时，就要放出热量。而且热量公式Q = cm△t，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×10t , 如果这些海水的温度降低0.1C,将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×10J/(kg·℃)。下面请大家计算一下。

学生计算：Q = 4.2×10×1.4×10×10×0.1 = 5.8×10J 这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。为什么人们不去研究这“新能源”呢?原来，这样做是不可能的，这涉及物理学的一个基本定律，这就是本节要讨论的热力学第二定律。

【板书】 第六节 热力学第二定律

【板书】

一、热传导的方向性

教师实验，点燃酒精灯，用钳夹住事先准备好的铁块，在火焰上灼烧一段时间后，问学生现在用手摸会出现什么现象?下面把灼热的铁块放入冷水中，过一段时间，拿出铁块现在你们敢用手摸吗?通过这个实验说明什么问题?

学生思考，教师给予启发

学生答：热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体 再让学生列举一些这样的例子

例如：雪花落在手上就融化，挨着火炉就温暖等等

318

323318

o

用心 爱心 专心 1 教师反问学生：大家是否想过热量为什么不会自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。学生思考讨论一会后，有的同学可能产生疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气?

展示电冰箱模型给学生请同学做简要的回答，教师进行点拨。

这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。

学生总结：

热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。

再举实例，说明有些物理过程具有方向性

1、气体的扩散现象

2、书上连通器的小实验 (气体向外膨胀)

【板书】

二、机械能和内能转化的方向性

机械能全部转化成内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 【板书】

三、热机：1热机是一种把热(内)能转化成机械能的装置?

学生回忆初中所学过的内燃机的工作过程思考：

1、热机是一种把什么能转化成什么能的装置?

2、热机的效率能否达到100%?

然后由各小组代表回答，教师进行思路点拨

1、 热机是一种把内能转化成机械能的装置

2、 热机的效率不能达到100% 原因分析：

以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，

由能量守恒定律可知：Q1 = W + Q2

我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用 表示 η=W / Q1

实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有： Q1>W 因此，热机的效率不可能达到100%，汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的

用心 爱心 专心 2 效率比较高，也只能达到60%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。

【思考题】：

1、根据以上的热机工作图，我们应该采取怎样的措施来提高燃料的利用效率。

2、通过对以上知识的学习你有什么体会?(按客观规律办事，科学实践要有正确的理论指导)

【板书】

四、第二类永动机

什么是第二类永动机呢?

能从单一热源吸收热量，然后全部用来做功，而不引起其他变化的机器，称为第二类永动机。

第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。

为什么第二类永动机不可能制成呢? 因为机械能和内能的转化过程具有方向性。 【板书】

五、热力学第二定律 【板书】热力学第二定律的两种表述

表述一：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。(克劳修斯表述) (按照热传递的方向性来表述的)

表述二：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。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。(开尔文表述)

(机械能与内能转化具有方向性)

这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。

热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。(自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性)

五、结：(学生进行总结) 【随堂练习】

1、热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及 现象的宏观过程都具有 性，例如机械能可以 转化为内能，但内能 全部转化成机械能，而不引起

用心 爱心 专心 3 其他变化。

2、热传导的规律为： ( )

A、热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体 B、热量总是从温度较高的物体传递给温度较低的物体 C、热量总是从内能较多的物体传递给内能较少的物体 D、热量总是从比热容较大的物体传递给比热容较小的物体 思考题：

一种冷暖两用型空调铭牌标注有如下指标：输入功率1KW，制冷能力1.2×10KJ/h，制热能力1.3×10 KJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量，是指标注错误还是能量不守恒呢? 4

4

用心 爱心 专心 4

第五篇：甘肃省化工工程师《基础知识》：热力学第二定律考试题

一、单项选择题(共 25题，每题2分，每题的备选项中，只有1个事最符合题意)

1、2mol的单原子理想气体，某过程的△(pV)=26kJ，则此过程的焙变△H=()。 A.26kJ B.39kJ C.65kJ D.32.5kJ

2、一定量的H2(g)，在绝热、恒容下发生下列反应：

H2(g)+O.5O2(g)→H2O(g) 则此过程的△U__;△H__;△S__;△A__;△G__。 A.(>0 B.(=0 C.(<0 D.(无法确定

3、可行性研究是基本建设前期工作的重要内容，其主要任务是__。 A.(A) 对项目的必要性和可行性作分析预测

B.(B) 对项目技术的先进性、经济的合理性作出论证和比较 C.(C) 应该包括A、B两项

D.(D) 对项目的必要性和先进性进行论证

4、某液体混合物用一种高效萃取剂萃取，经一次接触即能达到要求的分离任务，宜选用__。

A.(填料萃取塔 B.(筛板萃取塔 C.(单级式萃取器 D.(转盘萃取塔

5、在一连续精馏塔中分离苯-甲苯混合物。已知原料液的流量为10kmol/h，其中含苯0.56(摩尔分数)。若要求苯的回收率为96.5%，塔釜残液中含苯0.026(摩尔分数)，则塔顶产品的流量为__。 A.(193.33kg/h B.(2.46kg/h C.(207.28kg/h D.(225.36kg/h

6、对称三相四线制供电电路，若端线(相线)上的一根保险丝熔断，则保险丝两端的电压为____ A：线电压; B：相电压; C：相电压+线电压; D：线电压的一半。

7、通常在换热器的设计中规定甲山值不应小于__，否则△tm经济上不合理。 A.(0.3 B.(0.4 C.(0.8 D.(1.0

8、体系的能量变化等于__。 A.(A) 体系内能的变化

B.(B) 体系吸收的热量减去体系对环境所做的功 C.(C) 体系动能和势能的变化之和

D.(D) 分子间势能和动能、原子间键能等之和

9、对于反应。2NO2→2NO+O2，选用不同的反应物和产物来表示反应速率时，其相互关系为()。 A.A B.B C.C D.D

10、在选择化工过程是否采用连续操作时，下述几个理由不正确的是__。 A.(A) 操作稳定安全

B.(B) 一般年产量大于4500吨的产品 C.(C) 反应速度极慢的化学反应过程 D.(D) 工艺成熟

11、离心泵抽空、无流量，其发生的原因可能有①启动时泵内未灌满液体;②吸入管路堵塞或仪表漏气;③吸入容器内液面过低;④泵轴反向转动;⑤泵内漏进气体;⑥底阀漏液。你认为可能的是____ A：①、③、⑤; B：②、④、⑥; C：全都不是; D：全都是

12、有一套管换热器，环隙中有119.6℃的蒸气冷凝，管内的空气从20℃被加热到50℃，管壁温度应接近____ A：20℃; B：50℃; C：77.3℃; D：119.6℃

13、停止差压变送器时应____ A：先开平衡阀，后开正负室压阀; B：先开平衡阀，后关正负室压阀; C：先关平衡阀，后开正负室压阀; D：先关平衡阀，后关正负室压阀

14、某对象特性可用微分方程表示，则该对象的放大系数为()。 A.10 B.4 C.4/10 D.2.5

15、某液体的比体积为0.001m3/kg，则其密度为____kg/m3。 A：1000; B：1200; C：810; D：900

16、化工设备常用材料的性能可分为工艺性能和____ 。 A：物理性能; B：使用性能; C：化学性能; D：力学性能

17、与液体相比，输送相同质量流量的气体，气体输送机械的____ A：体积较小; B：压头相应也更高; C：结构设计更简单; D：效率更高

18、从解吸塔出来的半贫液一般进入吸收塔的____，以便循环使用。 A：中部; B：上部; C：底部; D：上述均可

19、常被用来吸附净化尾气中的有机蒸气、恶臭物质和某些有毒有害气体的吸附剂是__。 A.(A) 硅胶

B.(B) 活性氧化铝 C.(C) 活性炭 D.(D) 分子筛

20、设有一热机在环境温度为300 K时其热效率为20%，则该热机的高温热源的温度至少为__。 A.(A) 375K B.(B) 350K C.(C) 325K D.(D) 取决于工质

21、某真实气体节流膨胀过程的△(pV)=250J，则此过程的△U=__。 A.(250J B.(-250J C.(0 D.(无法确定

22、对于往复泵，下列说法错误的是____ A：有自吸作用，安装高度没有限制; B：实际流量只与单位时间内活塞扫过的面积有关; C：理论上扬程与流量无关，可以达到无限大; D：启动前必须先用液体灌满泵体，并将出口阀门关闭

23、有一复合反应为A+B→D，其反应机理为

用平衡近似法导得复合反应以D的生成速率表示的速率方程为()。 A.A B.B C.C D.D

24、下列说法中，正确的是__。

A.(A) 一定压力下，混合物的泡点温度比露点温度高 B.(B) 一定温度下，混合物的泡点压力低于露点压力

C.(C) 一定压力下，纯物质的泡点温度和露点温度是相同的，且等于沸点 D.(D) 纯物质的泡点线符合拉乌尔定律的直线

25、高放射性废物一般采用__固化剂固化。 A.(A) 水泥 B.(B) 沥青 C.(C) 塑料 D.(D) 玻璃

二、多项选择题(共25题，每题2分，每题的备选项中，有2个或2个以上符合题意，至少有1个错项。错选，本题不得分;少选，所选的每个选项得 0.5 分)

1、环保监测中的COD表示____ A：生化需氧量; B：化学耗氧量; C：空气净化度; D：噪音强度

2、在利用热电阻传感器检测温度时，热电阻与仪表之间采用____连接。 A：二线制; B：三线制; C：四线制; D：五线制

3、对流传热的热阻主要集中在__。 A.(A) 湍流主体 B.(B) 缓冲层 C.(C) 滞流内层

D.(D) 以上三层均接近

4、生产过程中产生的静电电压的最高值能达到____以上。 A：数十伏; B：数百伏; C：数千伏; D：数万伏

5、PG 1310—300 A1A 为某一管道的标注，其中300是指____ A：主项编号; B：管道顺序号; C：管径; D：管道等级

6、正弦交流电的三要素是____ A：电压、电流、频率; B：周期、频率、角频率; C：最大值、初相角、角频率; D：瞬时值、最大值、有效值

7、在简单蒸馏过程中，蒸馏釜内易挥发组分的组成逐渐__，釜残液的泡点逐渐__。

A.(A) 升高，降低 B.(B) 升高，升高 C.(C) 降低，降低 D.(D) 降低，升高

8、设备内的真空度愈高，即说明设备内的绝对压强____ A：愈大; B：愈小; C：愈接近大气压; D：无法确定

9、关于评标组织，下列说法错误的是__。 A.(评标是审查、确定中标人的必经程序 B.(评标委员会应依法设置

C.(评标委员会人数一般应为5人以上偶数 D.(评标委员会由招标人负责组织

10、项目经理的主要职责有__。 A.(是公司法定代表人在工程项目上的全权委托代理人，代表公司行使承担工程项目承包合同中承包方的权利和义务，对公司法定代表人负责 B.(按照公司的制度和授权，全面领导并主持项目的各项工作

C.(负责按合同规定的承包工作范围、内容和约定的建设工期、质量标准、投资限额全面完成合同规定的项目任务和目标 D.(协调公共关系

11、用饱和水蒸汽加热空气时，传热管的壁温接近____ A：蒸汽的温度; B：空气的出口温度; C：空气进、出口平均温度; D：无法确定

12、298 K时，C(石墨)与Cl2(g)的标准生成热____ A：前者为0，后者不为0; B：均小于0; C：均等于0; D：均大于0

13、化学反应热不仅与化学反应有关，而且与____ A：反应温度和压力有关; B：参加反应物质的量有关; C：物质的状态有关; D：以上三种情况有关

14、除去废水中的漂浮物，最简单的装置是__。 A.(A) 格栅

B.(B) 板框压滤机 C.(C) 袋式过滤器 D.(D) 离心分离器

15、关于爆炸，下列不正确的说法是____ A：爆炸的特点是具有破坏力，产生爆炸声和冲击波; B：爆炸是一种极为迅速的物理和化学变化; C：爆炸可分为物理爆炸和化学爆炸; D：爆炸在瞬间放出大量的能量，同时产生巨大声响

16、下列四种阀门，通常情况下最适合流量调节的阀门是____ A：截止阀; B：闸阀; C：考克阀; D：蝶阀

17、根据《中华人民共和国海洋环境保护法》规定，禁止向海域排放含__的废水。 A.(A) 油类、重金属、酸液、碱液 B.(B) 油类、铅废水、酸液、碱液

C.(C) 油类、酸液、碱液、剧毒废液、高(中)水平放射性物料 D.(D) 有机染料、酸液、碱液

18、旋风分离器主要是利用____的作用使颗粒沉降而达到分离。 A：重力; B：惯性离心力; C：静电场; D：重力和惯性离心力

19、____有知觉且呼吸和心脏跳动还正常，瞳孔不放大，对光反应存在，血压无明显变化。 A：轻型触电者; B：中型触电者; C：重型触电者; D：假死现象者

20、质量控制点可划分为A、B、C三级，其中C级为__。 A.(一般质量控制点

B.(由施工单位质量检验人员检查确认

C.(由施工单位、工程公司双方质量检验人员共同检查确认 D.(由业主确认

21、由克拉佩龙方程可知：当压力升高时，冰的熔点必然会__。 A.(升高 B.(保持不变 C.(降低

D.(无一定变化规律

22、A、B两组分组成一液态完全互溶的真实液态棍合物的气、液平衡系统，已知在温度T下，纯A(1)液体和纯B(1)液体的饱和蒸气压分别为。实验测得在温度T下，A、B两组分的压力一组成(p一x)图上，山现系统的总压力既大于，说明该系统()。 A.产生最大正偏差 B.产生最大负偏差 C.不产生偏差 D.无法确定

23、切断阀主要用于停启物流的流动，()通常用作切断阀。 A.闸阀 B.截止阀 C.止回阀

D.自控调节阀

24、泵将液体由低处送到高处的高度差叫做泵的____ A：安装高度; B：扬程; C：吸上高度; D：升扬高度

25、在非金属液体中，____的导热系数最高。 A：水; B：乙醇; C：甘油; D：甲醇