中学物理竞赛讲义热力学第二定律热传递方式
高二物理竞赛课件热力学第二定律
T1i
T2i
n
循环：
i 1
Q1i T1i
Q2i T2i
0
n ：Qi dQ , Ti T
2ni1Leabharlann QiTi0
∴
dQ T
0
R
R ─ 可逆，
──克劳修斯等式
dQ ─ 热温比。 T
上式说明，对任一系统，沿任意可逆循环
过程一周，dQ/T 的积分为零。
T Q
A=Q
1 Q2
Q1
1 T2 T1
卡诺循环必须有高温和低温两个热源。
η与T1、T2温差有关，与工作物质无关。
T1 T2 0 1 高温热源T1
2.卡诺制冷机
Q1＝A＋Q2
卡诺制冷机循环过程与热机
相反，引入制冷系数表示
工质 A
Q2 Q2 T2
Q2
A Q1 Q2 T1 T2
过程是不可逆的
末态
“一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可 逆的”——热力学第二定律实质
实例：生命过程是不可逆的：
出生 童年 少年 青年 中年
老年 公墓 不可逆！
“今天的你我 怎能重复 昨天的故事!”
一系列无限接近于平衡状态的中间状态所 组成的准静态过程是可逆过程。
定理表述： 工作在相同温度的高、低温热源之间的一
热力学第二定律
热力学第二定律
热力学第二定律是关于自然过程方向的一 条基本的、普遍的定律，它较热力学第一定律 层次更深。
一、热力学第二定律的表述
1.开氏表述（Kelvin, 1851, 英） 不可能制造一种循环动作的
热机，只从一个热源吸收热量， 使之完全变成有用的功，其他物 体不发生任何变化。
开氏表述
T1 T2
2020年高中物理竞赛-热学A(联赛版)05热力学第二定律：卡诺定理(共15张PPT)
C ,
1 Qj 1 Tj
Qi
Ti
Qj Tj Qi Ti
Qj Qi Tj Ti
因为 Q j ' Q j , 则上式可写为
Qi Qj 0 Ti Tj
对所有i 、j 求和，即得 n Qi 0.
T i 1 i
其中等号适用于可逆过程， 不等号适用于不可逆过程。
dQ
若 n ，则 Ti Ti1 Ti 0, Qi dQ, 于是有
于是有
dW
(1
T2 T1
)dQ1
热机工作过程中
工质在高温处吸热 dQ1 C pdT1' 在低温处放热 dQ2 C pdT2 '
能量守恒 dW dQ1 dQ2 C pdT1'C pdT2 '
积分得 W C p (T 'T1) C p (T 'T2 ) C p (T1 T2 2T ')
有一热机，其输出功驱动B与A之间的制 TA ' 100K ,TB ' TC ' 300K
冷机将热量再传输到B或A。设A物体最 后达到的温度最高，则B、C两物体应有
TA ' 900K ,TB ' TC ' 100K
T ’=T ’， 即有 TB ' TC ' TA 解得：
显然，只有第一组解合理。
S TA ' CdT TB ' CdT TC ' CdT 0
T TA
T TB
T TC
即有 ln TA ln TB ln TC 0 于是有 TA 'TB 'TC ' TATBTC
TA
TB
TC
依题意，工作方式可能是A或B与C之间 TA ' 400K ,TB ' TC ' 150K
高二物理竞赛课件：熵增加原理与热力学第二定律
熵增加原理成立的条件: 孤立系统或绝热过程.
熵增加原理的应用 ：给出自发过程进行方向的判椐 .
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热力学第二定律的统计意义 以气体自由膨胀为例:
宏观态:左、右各有多少分子
左右
微观态:具体分子分布 编号为
（4 0）（3 1）（2 2） （1 3） （0 4）
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宏观态
微观态
N总 24 16
大的宏观态过渡” —— 热二律的统计意义
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热力学第二定律是个统计规律，它只适用
于大量分子的系统。
对于不可逆过程，例如： 功→热： 有序运动→热运动 热传导： 速度分布无序性增加
熵增加
自由膨胀：空间分布无序性增加
所以，自然过程（不可逆过程）总是沿着
无序性增加（熵增加）的方向进行。
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玻耳兹曼熵公式
一般热力学系统 N的数量级约为1023，上述 比例实际上是百分之百。
Ω(N左) N 很大
N/2 N左
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热力学第二定律的统计意义
平衡态 非平衡态 非平衡态
Ω平 Ωmax — 最概然态
Ω非 Ω平
自发
平衡态
非 平 max
“ 一个孤立系统其内部自发进行的过程， 总是由热力学概率小的宏观态向热力学概率
N
自动收缩（左100，右0）
的概率为10 -30。 若改变一次微观状态历时10-9s，则所有微观状态
都经历一遍要1030 109 s 1021 s 30万亿年。
即30万亿年中（100，0）的状态只闪现10-9s 。
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而左右各半的平衡态及其附近宏观态的热力 学概率则占总微观状态数的绝大比例。
0
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中学物理竞赛讲义-8.3热力学第二定律-热传递方式
8.3热力学第二定律 热传递方式一、热力学第二定律表述1：热量只能自发的从高温物体转移至低温物体。
如果想让热量由低温物体转移到高温物体，一定会引起其他变化（需要做功）。
热传递的方向性表述2：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响机械能、内能转化的方向性（能量耗散）表述3：有序到无序，熵增加第一类永动机：不需要动力的机器，它可以源源不断的对外界做功违反能量守恒定律第二类永动机：从单一热库吸收热量，全部用于做功。
违反热力学第二定律：机械能与内能的转化具有方向性，机械能可以转化内能，但内能却不能全部转化为机械能而不引起其它变化。
二、卡诺循环当高温热源和低温热源的温度确定之后，所有热机中，按照卡诺循环运行的热机效率是最高的。
（证明略）卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。
从高温热源等温吸热Q 1，对外做功，并向低温热源散热Q 2。
两个绝热过程中，没有热传递，做功等于内能变化，为相反数。
2i W nR T =∆ 两个等温过程中，热量交换加上做功等于0，因此， 在高温热源吸热：21111ln V Q W nRT V =-= 在低温热源放热：42223lnV Q W nRT V =-= 利用绝热过程的状态方程：2233PV PV γγ=，即 112132V nRT V nRT γγ--= 4411PV PV γγ=，即 114211V nRT V nRT γγ--= 有上述公式可得卡诺热机的效率，即最大效率：121211Q Q T T Q T η--== 如果将上述过程反过来，叫做逆卡诺循环，即在外界做功W 的帮助下，从低温热源吸热Q 2，向高温热源散热Q 1。
例如空调、冰箱都有这种功能。
（但现实中的空调、冰箱不一定满足逆卡诺循环的条件）。
对于逆卡诺循环，常用制冷系数进行描述：221212Q T Q Q T T ω==--例1、有一卡诺致冷机，从温度为-10℃的冷藏室吸取热量，而向温度为20℃的物体放出热量。
初中物理必考知识点解析热学和热传导
初中物理必考知识点解析热学和热传导初中物理必考知识点解析热学和热传导热学和热传导是初中物理学习中的重要知识点，通过深入了解热学和热传导的概念、原理和应用，可以帮助我们更好地理解物质的热现象和热传输过程。
本文将对热学和热传导进行解析，以帮助初中生更好地准备物理考试。
1. 热学基础知识热学是研究热现象和热传递的一门学科，我们首先需要了解热学的基本概念和单位。
热学的基本概念包括温度、热量、热平衡和热传递。
温度是物体内部分子热运动的强弱程度的表征，常用单位是摄氏度（℃）。
热量是物体之间因温度差而发生的能量传递，常用单位是焦耳（J）。
热平衡是指物体的温度相等，处于热平衡状态时不再发生热传递。
热传递是热量在物体之间传递的过程，常见的热传递方式有导热、对流和辐射。
2. 热学定律在热学中，有一些重要的定律可以帮助我们理解热现象和热传递过程。
其中最重要的是热力学第一定律和第二定律。
热力学第一定律，也称为能量守恒定律，指出能量可以从一种形式转化为另一种形式，但总能量守恒。
在物体内部，热量的转化可以使物体的内能发生变化，也可以做功。
热力学第一定律的数学表达式为ΔQ = ΔU + W，其中ΔQ代表热量的变化，ΔU代表内能的变化，W代表物体所做的功。
热力学第二定律，也称为热传递定律，将热量的传递方向规定为热量从高温物体传递到低温物体。
这个定律是对自然界中热量传递现象的普遍规律性的归纳总结。
3. 热传导热传导是热量在固体、液体和气体等物质之间通过分子碰撞传递的过程。
热传导的速率与物质的导热性能、温度差和距离有关。
在物质内部，热能通过分子的热运动以及分子之间的碰撞实现热量的传递。
较好的导热体如金属，热传导速率较快，而导热性能较差的物质如木材、绝缘体，热传导速率较慢。
对于固体的热传导，常见的几个规律包括：一是从高温区传递到低温区，温差越大，热传导速率越快；二是热传导速率与物质的导热系数成正比，与截面积成正比，与长度成反比；三是导热系数与物质的性质有关，如金属的导热系数较大，绝缘体的导热系数较小。
初中物理认识热能的传递方式
初中物理认识热能的传递方式热能是物体内部分子、原子的运动能量，它具有传递和转化的特性。
热能的传递方式包括传导、传热和辐射，下面将对这三种方式进行详细介绍。
一、传导传导是指热能在物体内部传递的方式。
当一个物体的一部分受热时，热量会从这部分传递给周围的其他部分。
这是因为物体中的分子不停地振动，振动剧烈的分子会将振动能量传递给周围分子，从而实现热能的传导。
传导的速度与物体的导热性质有关。
导热性好的物体可以迅速传递热能，而导热性差的物体则传导速度较慢。
导热性质受到物体内部分子排列的影响，例如金属由于分子排列比较紧密，导热性能较好。
二、传热传热是指热能通过物体表面直接传递给其他物体的过程。
这种方式下，物体与物体之间没有直接的接触，在空气或其他介质的作用下，热能能够传递给其他物体。
传热主要通过三种方式进行：对流传热、辐射传热和传热辐射的组合。
1.对流传热对流传热是指热能通过流体（如空气、水等）的对流传递给其他物体。
在对流传热中，流体流动起到了重要的作用。
当物体表面受热时，周围的流体受热后会膨胀，从而形成流体的上升，取而代之，冷却下去的流体相对较重，下沉。
2.辐射传热辐射传热是指热能通过空间中的电磁波辐射传递给其他物体。
辐射传热不需要介质的存在，热能可以以电磁波的形式在真空中传递。
3.传热辐射的组合对流传热和辐射传热在很多情况下并不是单独进行的，而常常会同时发生。
例如，大气中的传热就是对流和辐射的结合。
对流使热量通过空气传递，辐射使太阳的热能通过不断辐射的方式传递给地球。
三、辐射辐射是指热能以电磁波的形式传递的过程。
辐射通过能量的传播，将热量从热源传递到周围的物体上。
在辐射中，热能的传播不需要介质的存在，可以在真空中进行。
例如，太阳向地球发送的热辐射就是通过真空进行的。
辐射传热的特点是可以以很大的速度进行，传递的热量也相对传导和对流来说更多。
我们日常生活中接触到的热能传递往往会涉及到辐射的方式。
总结起来，初中物理中我们认识到热能的传递方式分为传导、传热和辐射。
热学热传递有哪些方式
热学热传递有哪些方式热学热传递是热力学的一个分支，研究物体之间的热量传递方式和规律。
热传递是自然界中非常重要的过程，广泛应用于工程、生物学、地理学等领域。
本文将介绍热学热传递的几种主要方式。
1. 热传导热传导是通过物质内部的分子振动和传递速度来传递热量的方式。
当物体的一部分受热时，分子的振动会增强，通过与周围分子的碰撞传递能量，使得热量从高温区域传递到低温区域。
热传导的速率与物体的导热性质、温度差和材料的粒子间距有关。
2. 辐射传热辐射传热是通过电磁波的辐射传递热量的一种方式。
所有物体在温度不为零时都能发射电磁波，这些电磁波的能量被称为热辐射。
热辐射的能量传递不需要介质，可以在真空中传播。
温度越高的物体发射的辐射能量越多，而温度较低的物体则吸收辐射能量。
3. 对流传热对流传热是通过流体的运动来传递热量的一种方式。
流体（液体或气体）的分子在受热时会膨胀，密度减小，从而形成气团或液团的对流环流。
对流传热可以分为自然对流和强制对流两种。
自然对流是指通过密度差引起的流体循环，不需要外力的推动。
而强制对流则需要外力的推动，比如风和泵。
4. 热传质传导热传质传导是指通过液体或气体中物质的输运来传递热量的方式。
物质的迁移可以携带着热量，使得热量从高浓度区传递到低浓度区。
热传质传导的速率与物质的浓度梯度、扩散系数和温度差有关。
热传质传导广泛应用于化学、生物学等领域。
总结：热学热传递有四种主要方式，包括热传导、辐射传热、对流传热和热传质传导。
热传导是在物质内部通过分子振动传递热量，辐射传热是通过电磁波辐射传递热量，对流传热是通过流体的运动传递热量，热传质传导是通过物质的输运传递热量。
不同的传热方式在不同的情况下起着重要的作用，对热学热传递的研究有助于我们理解和应用于实际问题中。
初一物理热学中的热量传递方式与应用总结
初一物理热学中的热量传递方式与应用总结热量传递是物理学中十分重要的一个概念，它描述了热量如何从一个物体传递到另一个物体。
在初一物理课程中，我们学习了三种主要的热量传递方式：传导、对流和辐射。
下面我将对这三种热量传递方式及其应用进行总结。
一、传导传导是指热量通过物体内部的分子间碰撞传递。
这种传递方式主要发生在固体中，由于固体的分子比较接近，它们之间的相互作用较强，因此热量很容易在固体内部传递。
传导的速率取决于物体的材料和温度差异。
在日常生活中，我们常常遇到传导的情况。
比如，当我们将一个金属勺子放入热水中时，勺子的一端会很快变热，这是因为热水传导到了勺子上。
又比如，在冬天，我们穿上保暖的羊毛衣物可以保持温暖，这是因为羊毛具有很好的保温性能，它可以阻止身体散发出的热量传递到外部环境。
二、对流对流是指热量通过流体（液体或气体）的流动传递。
流体的分子间距离较大，分子间相互作用较弱，因此热量传递的速率比传导要快。
对流传热需要有流体的存在，并且流体需要产生对流运动，比如气流或液流。
一个经典的对流示例是水的沸腾。
当我们将水烧开时，底部的水受热，温度升高并且变轻，然后上升，而较冷的水则下沉，形成了对流运动。
这样，热量就通过水的对流传递，使整个水体都被加热。
另外一个常见的对流现象是空气的对流。
当我们打开电风扇时，电风扇会产生气流，将周围空气带走，然后新鲜空气会进入，这样就形成了对流循环。
这种对流循环可以将空气中的热量带走，使环境更加凉爽。
三、辐射辐射是指热量通过电磁波的辐射传递。
无论在真空中还是在空气中，辐射都可以传递热量。
辐射是一种不需要媒介的热量传递方式，因此它可以在真空中传递，并且速率较快。
我们常常可以观察到辐射传热的现象。
例如，当我们靠近炉子时，我们可以感受到炉子发出的热量。
炉子发出的热辐射可以穿过空气并接触到我们的皮肤，使我们感到温暖。
又比如，太阳也是通过辐射的方式将巨大的热量传递到地球上，维持地球的温度。
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8.3热力学第二定律 热传递方式
一、热力学第二定律
表述1：热量只能自发的从高温物体转移至低温物体。
如果想让热量由低温物体转移到高温物体，一定会引
起其他变化（需要做功）。
热传递的方向性
表述2：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响
机械能、内能转化的方向性（能量耗散）
表述3：有序到无序，熵增加
第一类永动机：
不需要动力的机器，它可以源源不断的对外界做功
违反能量守恒定律
第二类永动机：
从单一热库吸收热量，全部用于做功。
违反热力学第二定律：机械能与内能的转化具有方向性，机械能可以转化内能，但内能却不能全部转化为机械能而不引起其它变化。
二、卡诺循环
当高温热源和低温热源的温度确定之后，所有热机中，按照卡诺循环运行的热机效率是最高的。
（证明略）
卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。
从高温热源等温吸热Q 1，对外做功，并向低温热源散热Q 2。
两个绝热过程中，没有热传递，做功等于内能变化，为相反数。
2
i W nR T =
∆ 两个等温过程中，热量交换加上做功等于0，因此， 在高温热源吸热：21111
ln
V Q W nRT V =-= 在低温热源放热：42223ln V Q W nRT V =-= 利用绝热过程的状态方程：
2233
PV PV γγ=，即 112132V nRT V nRT γγ--= 4411
PV PV γγ=，即 114211V nRT V nRT γγ--= 有上述公式可得卡诺热机的效率，即最大效率：
121211
Q Q T T Q T η--== 如果将上述过程反过来，叫做逆卡诺循环，即在外界做功W 的帮助下，从低温热源吸热Q 2，向高温热源散热Q 1。
例如空调、冰箱都有这种功能。
（但现实中的空调、冰箱不一定满足逆卡诺循环的条件）。
对于逆卡诺循环，常用制冷系数进行描述：
221212
Q T Q Q T T ω==--
例1、有一卡诺致冷机，从温度为-10℃的冷藏室吸取热量，而向温度为20℃的物体放出热量。
设该致冷机所耗功率为15kW ，问每分钟从冷藏室吸取的热量是多少？
例2、一卡诺机在温度为27℃和127℃两个热源之间运转．
(1)若在正循环中，该机从高温热源吸热1.2×103 cal ，则将向低温热源放热多少?对外作功多少
?
(2)若使该机反向运转(致冷机)，当从低温热源吸热1.2×103cal 热量，则将向高温热源放热多少?外界作功多少?
例3、某空调器按可逆卡诺循环运转，其中的作功装置连续工作时所提供的功率为P 0．
(1)夏天室外温度恒为T 1，启动空调器连续工作，最后可将室温降至恒定的T 2．室外通过热传导在单位时间内向室内传输的热量正比于(T 1－T 2)(牛顿冷却定律)，比例系数A ．试用T 1，P 0和A 来表示T 2．
(2)当室外温度为30℃时，若这台空调器只有30％的时间处于工作状态，室温可维持在20℃．试问室外温度最高为多少时，用此空调器仍可使室温维持在20℃?
(3)冬天，可将空调器吸热、放热反向．试问室外温度最低为多少时，用此空调器可使室温维持在20℃?
三、热传递方式
1、热传导
考虑长度为l ，横截面积为S 的柱体，两端截面处的温度为21,T T ，且21T T >，则热量沿着柱体长度方向传递，在△t 时间内通过横截面S 所传递的热量为
t S l T T K
Q ∆-=21
其中，K 为导热系数。
2、热对流
3、热辐射
黑体：吸收所有的电磁辐射，无任何反射。
与此同时，黑体自身也会向外辐射，单位面积的辐射功率为： 4T J σ= 式中4281067.5K m W ⋅⨯=-σ，称为斯忒藩常数。
如果不是黑体，单位表面积的辐射功率J 记为
4T J εσ=
式中ε叫表面辐射系数，其值在0和1之间，由物体性质决定。
对于温度不变的黑体来说，存在着吸收辐射和向外辐射的平衡。
例4、如图所示，两根金属棒A 、B 尺寸相同，A 的导热系数是B 的两倍，用它们来导热，设高温端和低温端温度恒定，求将A 、B 并联使用与串联使用的能流之比．设棒侧面是绝热的．
例5、已知地球和太阳的半径分别为R 1＝6×106m 、R 2＝7× 108m ，地球与太阳的距离d ＝1．5×1011m ．若地球与太阳均可视为黑体，试估算太阳表面温度．
例6、取一个不高的横截面积是2
3dm 的圆筒，筒内装水0.6kg ，在阳光垂直照射下，经2min 温度升高1℃，若把太阳看成黑体，已知太阳半径和地球到太阳的距离分别为m R 8107⨯=和m d 11105.1⨯=，并考虑到阳光传播过程中的损失，地球大气层的吸收和散射，水所能吸收的太阳能仅是太阳辐射能的一半，试估算太阳表面的温度。
(已知4281067.5K m W ⋅⨯=-σ)。