3.4 热力学第二定律-【正禾一本通】2023-2024学年新教材高二物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书(人教版）

第4节 热力学第二定律 课标要求 核心素养 1.知道自然界中宏观过程的方向性。 2．了解热力学第二定律。 3．知道“第二类永动机”不可能实现的原因 1.物理观念：了解热现象过程的不可逆性。 2．科学思维：知道与热现象有关的宏观过程的方向性。 3．科学探究：掌握热机的工作原理。 4．科学态度与责任：应用热力学定律解释生产生活中的实例 　高效导学第一步　预习新知，落实必备知识 一、宏观过程的方向性 1．温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，但不会自发地从低温物体传给高温物体，这说明传热的过程具有方向性。 2．无数事实告诉我们，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 二、热力学第二定律 1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。 2．克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(阐述的是传热的方向性) 3．开尔文表述 (1)热机：热机是把内能转化为机械能的一种装置，如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能，内燃机是把燃烧后的高温、高压气体的内能转化为机械能。 (2)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。 (3)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，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) 三、能源是有限的 1．能量耗散和品质降低 (1)人类使用的能源最后都转化成内能分散在环境中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”。 (2)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为可用性差的低品质形式。 2．能源：是指具有高品质的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等。 【概念辨析·试身手】 (1)热量不能从低温物体传到高温物体。(×) (2)不可逆过程指的是某过程只沿某个方向发生，而不可能在没有外界影响(或不产生其他影响)的情况下沿相反方向发生。(√) (3)内能不可能完全转化为机械能。(×) (4)能量耗散是指散失在环境中的内能再也不能收集起来被人类利用。(√) (5)能量耗散导致能量品质的降低。(√) 　高效导学第二步　课堂探究，培优关键能力 要点一 | 热力学第二定律的理解 【要点培优】 1．单一热库：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。 2．其他影响：指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。并不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动传热是不可能的。 3．关于“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程中所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。 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。 【素养培优】 下图是热量在传递过程中的情景。 探究：(1)在自然过程中热量是如何传递的？ (2)空调和冰箱是如何传递热量的？ 提示：(1)热量由温度高的物体传递给温度低的物体，或由温度高的地方传递到温度低的地方。 (2)空调和冰箱可以通过电机做功，把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。 【应用培优】 [例1] 如图所示，汽缸内封闭有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气。现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　　) A.气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，此过程违反热力学第二定律 B.气体是从单一热库吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律 C.气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律 D.以上三种说法都不对 解析：选C。由于气缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，所以气缸内的气体温度也不变，要保持其内能不变，该过程气体是从单一热库即外部环境吸收热量全部用来对外做功才能保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能发生，故C正确。