|
关于“热力学第二定律”教学的讨论 宁波市鄞州中学物理组 毕国丽 热力学第二定律这部分内容比较抽象，学生不容易理解。在如何安排这节课的问题上，本人仔细的研究了一下，现将这节课的知识框架给出，希望各位老师提出宝贵意见。 首先，我先给出同学们自发过程的概念，这个虽然在课本上没有提到，但是我认为这个概念对于让同学们清楚理解自然界中有些过程的方向性有帮助。 一、自发过程的方向性 自发过程： 让同学们看书总结出哪些过程是自发过程，并且总结出这些过程的方向性。 启发同学总结出四种自发过程： 1 热传导的过程具有方向性 实例：两个温度不同的物理相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温度物体。 [注意]这里所说“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助，电冰箱工作时能将冰箱内（温度较低）的热量，传给外界空气（温度较高），是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功。 热传导的过程可以向一个方向自发地进行（热量从高温物体自发地传给低温物体）；但向相反的方向不会自发地产生（热量不会自发地从低温物体传给高温物体），只有借助外界的帮助才能进行。 2 气体的绝热自由膨胀的方向性 气体可以自发地向真空种自由膨胀，但是绝对不会发生相反的现象：即充满容器的气体会自发地收缩到很小的部分，而其余体积内都为真空。 3 气体的扩散的方向性 两种不同的气体可以自发的进入对方，最后成为一种均匀的混合气体，但是绝不会发生相反的现象：一种均匀的混合气体会自发的分开，成为两种气体，除非借助外界帮助。 4 机械能转化内能的方向性 （1）通过摩擦而使热功变热的过程是有方向性的。绝对不会发生相反的过程：物体自动地降低温度使其对外做功。 （2）内能是可以转化为机械能的，如热机。热机是一种把内能转化为机械能的装置。以内燃机为例，我们来研究热机。 它工作时，是汽缸中的气体得到燃料燃烧的热量  ，推动活塞做功 ，然后排出废气带走热量 。由能量守恒定律知： 。而我们定义热机的效率为  。对于内燃机，它在排出废时一定会带走一部分热量 。故它的效率不可能达到100％。热机必须有热源和冷凝器，是工作物质从热源吸收热量，其中一部分用来对外做功，同时还有一部分热量不能做功，而传给了低温的冷凝器。由于热传导是一个自发过程，故热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要带走一部分热量 。所以热机的效率不可能为100％。能不能制造一种热机，只从单一的热源吸收热量全部对外做功，而不引起其他变化呢？原因是什么？人们把这种想象中的热机称为第二类永动机。人们通过各种努力来制造这种第二类永动机，但都是失败了。最后人们发现这种热机即第二类永动机是不可能制成的。通过上面分析，表示机械能和内能的转化的过程是有方向性的。机械能是可以全部转化为内能，但是内能却不不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化。 总结：自发过程是有方向性的。自发过程的方向遵从什么规律呢？ 二、热力学第二定律 说明自然宏观过程进行的方向的规律叫热力学第二定律。 而热力学第二定律有两种常用表述： （1）克劳修斯在1850年在研究热机的工作原理的基础上提出了热力学第二定律的一种表述：不可能使热量从低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。这里的“不引起其他的变化”和“自发地”是等价的。 （2）开尔文在1851年提出了热力学第二定律的另一种表述：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。它也可以表述为第二类永动机是不可能制成的。 由于自然界的自发过程都是有联系的，是相互依存的。描述自发过程方向性的第二定律也是等价的。 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，对于我们认识自然、利用自然有重要的指导意义。 两种表述等价的证明： 如果假设热量由高温传向低温的不可逆性消失了，即热量能自动地经过某种假想装置从低温传向高温。这是我们可以设计一部热机，使它在一次循环中由高温热库（热源）吸热 ，对外做功 ，向低温热库放热（ ），这种热机能自动进行动作，然后利用那个假想装置使热量自动地传给高温热库，而使低温热库恢复原来状态。当我们把该假想装置与此热机看成一个整体时，它们就能从热库 吸出热量 而全部转变为对外做的功，而不引起其他任何变化。这就是说，功变热的不可逆性也消失了。同理，反之也成立。 注：（1）本人在教学过程中，一直没有提到书中给出的海水自动降温的释放出的热量的利用问题，因为本人在查阅资料时发现目前已经有利用海水温度的差异来发电的事例，但是也要消耗其他的形式的能量如电能、机械能。书中并没有要求一定不要消耗其他形式的能量。所以为了避免使同学发生混淆，故避开了这个问题。 （2）在教学过程中为了避免学生产生疑问：为什么热力学第二定律的两种表述是等价的？所以本人在讲课的时候给出了学生证明过程，让同学明白自然过程都是相互有联系的。 (责任编辑：admin) |