3.4热力学第二定律-2022-2023学年高二物理素养提升学案（人教版2019选择性必修第三册）

选择性必修三学案 第三章 热力学定律 第4节 热力学第二定律 一、新课标要求 1.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。 2.了解热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释为什么第二类永动机不能制造成功。 3.能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题,并能解决一些实际问题。 4.了解能量耗散、能源和环境。 二、科学素养要求 1.物理观念：知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的原因，能解释相关现象。 2.科学思维：理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，提高分析推理能力。 3.科学探究：通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。 4.科学态度与责任：学会科学家探索问题的方法，养成实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。 三、教材研习 要点一、热力学第二定律 克劳修斯表述：热量不能自发地①从低温物体传到高温物体。该表述阐述的是传热的方向性。 开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全②变成功，而不产生其他影响。该表述阐述了机械能与内能转化的方向性。 要点二、能量耗散和能源是有限的 分散在环境中的内能不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质③下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 【自主思考】 ①“热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体”这一说法是否正确？为什么？ ②如图所示为国内某柴油机厂所产的单缸柴油机，图中上方部分为水箱。水箱所起的作用是什么?柴油机工作时，内能可以全部转化为机械能吗？为什么？ ③既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？ 四、名师点睛 热力学第二定律的理解 （1）传热的方向性 ①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。 ②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。 ③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 （2）热机 ①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。 ②热机的效率：热机输出的机械功与燃料产生的热量的比值。用公式表示：。 五、互动探究 探究点一、热力学第二定律的理解 情境探究 1.地球上有大量的海水，它的总质量约为，有人设想让这些海水的温度降低，它将放出的热量，若全部用来发电，这相当于1 800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。 （1）这是一件既经济又没有环境污染的事情，这一想法违背能量守恒定律吗？ （2）这个设想能成功吗？为什么？ 2.电冰箱是一种利用工作物质，使热量从低温物体传到高温物体的装置，通过压缩机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。 （1）电冰箱“将热量从低温物体传到高温物体”是否违背热力学第二定律？ （2）夏天，将房间一台正在工作的电冰箱的门打开，这是否可以降低室内的平均温度？为什么？ 探究归纳 1.热力学第二定律的理解 （1）“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例，它是靠电流做功把热量从低温处“搬”到高温处的。 （2）“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。 （3）热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。 （4）适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。 （5）热力学第二定律的两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的。 2.热力学第一定律与第二定律的比较 项目 热力学第一定律 热力学第二定律 定律揭示的问题 它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系 它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的 机械能和内能的转化 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能 内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能 热量的传递 热量可以从高温物体自发地传到低温物体 说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体 表述形式 只有一种