第3节 热力学第二定律（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第3节　热力学第二定律 核心素养导学 物理观念 通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法。 科学思维 (1)知道与热现象有关的宏观过程的方向性。 (2)能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程。 科学探究 探究热机的工作原理。 一、自然界中宏观过程的方向性 1．热传递：只能从______物体传向______物体。 2．扩散现象：相互扩散混合的两种物体，不能________分开。 3．能量转化：内能不能_________全部转化为机械能。 高温 低温 自发地 自发地 二、热力学第二定律 1．热力学第二定律：在物理学中，能够揭示宏观自然过程________规律。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不可能自发地从______物体传递到______物体。 3．热力学第二定律的开尔文表述 不可能从单一热源吸收_______，使之全部变成功，而不产生其他影响。 方向性 低温 高温 热量 1.若室内的温度恒定，一杯热水静置一段时间后就会变成一杯常温的水，但一杯常温的水不会自行变成一杯热水。下落的石头因为与空气摩擦而变热，一部分机械能转化成了内能，但石头不能把内能自动转化为机械能，使自己重新飞上天去。请对以下说法作出判断： (1)热量可以自发地由高温物体传递到低温物体。 ( ) (2)热量不可能由低温物体传递到高温物体。 ( ) (3)能量传递自发进行是有方向性的。 ( ) √ × √ 2．我们假想：发明一种热机，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，而不引起其他变化。这是否可能？ 提示：热机不能把它得到的内能全部转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q，即使是理想热机，没有摩擦，没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中。 新知学习(一)|热力学第二定律的理解及应用 [任务驱动] 如图是热量在传递过程中的情景。 讨论： (1)在自然过程中热量是如何传递的？ 提示：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)空调和冰箱是如何传递热量的？ 提示：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。　　　 [重点释解] 1．对热力学第二定律的理解 (1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性。在传热过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。 (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)“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。 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环一个过程结束时，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，不论用任何的办法都不可能加以消除。 2．热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 4．热力学第二定律的其他描述 (1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性。 (2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 [典例体验] [典例]　(多选)下列现象不可能发生的是 (　 ) A．在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，能使该房间降温 B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能 C．一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能 D．在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体 [解析]　在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，消耗了电能，产生了焦耳热，所以房间温度不仅不能降低还会升高，故A不可能发生；蒸汽机不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，转化过程中必然存在能量耗散，故B不可能发生；一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能，C可能发生；在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，D可能发生。 [答案]　AB /易错警示/ 对热力学第二定律理解的两个误区 (1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体，不能由低温物体传到高温物体。 热量可以由高温物体传到低温物体，也可以由低温物体传到高温物体；但是，前者可以自发完成，而后者则必须有外界参与。 (2)误认为机械能可以完全转化为内能，而内能不能完全转化为机械能。 机械能可以完全转化为内能，内能也可以完全转化为机械能；但是，前者可以不产生其他影响，而后者一定会产生其他影响。 [针对训练] 1．(多选)下列说法中正确的是(　 ) A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C．由自然过程的方向性可以判断物理过程能否自发进行 D．一切物理过程都不可能自发地进行 解析：自然界中一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故A正确；一切自发进行的与热现象有关的宏观过程都具有方向性，所以不违背能量守恒定律的物理过程不一定都是可以实现的，故B错误；根据热力学第二定律，一切自发进行的与热现象有关的宏观过程都具有方向性，所以可以由自然过程的方向性判断物理过程能否自发进行，故C正确；根据热力学第二定律，一部分物理过程可以自发进行的，故D错误。 答案：AC　 2．(2024·雅安高二阶段练习)下列说法正确的是(　 ) A．热量不能由低温物体传递到高温物体 B．外界对物体做功，物体的内能必定增加 C．第二类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律 D．电冰箱虽然可以从低温物体吸收热量，但不违背热力学第二定律 解析：热量能由低温物体传递到高温物体，此过程会引起其他的变化，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体的内能的变化与外界做功和物体吸收的热量有关，外界对物体做功，若同时物体对外放热，物体的内能可能减小，故B错误；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故C错误；电冰箱虽然可以从低温物体吸收热量，但要消耗一定的电能，所以不违反热力学第二定律，故D正确。 答案：D　 新知学习(二)|热机和第二类永动机 [任务驱动] 如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，请在图片基础上思考以下问题： (1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？ 提示：不是。热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。 (2)热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？ 提示：否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的释放到低温热库。　　 [重点释解] 1．热机的特点 (1)热机不仅仅只有一个热库。 (2)热机的效率不可能达到100%。 2．第二类永动机不能制成的原因：违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。 3．第二类永动机不能制成的意义 (1)机械能可全部转化成内能，但内能不能全部转化成机械能。 (2)机械能和内能的转化过程具有方向性。 (3)两类永动机的比较 第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去)。 第二类永动机：将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)。 [典例体验] [典例]　电能被广泛应用在动力、照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、人民经济飞跃的主要动力。如图所示为火电站电能产生与使用过程中各阶段的能量转化效率，已知1 kg标准煤完全燃烧时产生的热量约为2.93×107 J。则 (　 ) A．发电站的发电效率约为40% B．提高输送电压可以提高发电站的发电效率 C．1 kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为9.4×106 J D．用户端消耗1 kW·h的电能，发电站需要烧0.5 kg的标准煤 [答案]　C [针对训练] 1．(多选)关于热机的效率，下列说法正确的是(　 ) A．有可能达到80% B．有可能达到100% C．有可能超过80% D．一定能达到100% 解析：根据热力学第二定律，热机效率永远也达不到100%。 答案：AC　 2．在热学中，下列说法正确的是 (　 ) A．第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律 B．第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律 C．热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能 D．热量只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体传向高温物体 解析：不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，故A正确；从单一热库吸收热量而对外做功的第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故B错误；热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能，而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能，故C错误；热量能从高温物体传向低温物体，在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体，故D错误。 答案：A　 3．(多选)根据热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是 (　 ) A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能 B．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的 C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293 ℃　 D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以被制造出来 解析：机械能可以全部转化为内能，而内能也可以全部转化为机械能，只是在这个过程中会引起其他变化，A正确；根据热力学第二定律可知，自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，B正确；制冷机也不能使温度降到－293 ℃(低于绝对零度)，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能被制造出来，D错误。 答案：AB　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——熵和熵增加原理 1．(选自鲁科版教材“物理聊吧”)一只完好的杯子从高处落到地上摔碎了(如图所示)，这是一个可逆过程还是不可逆过程？在这个过程中熵是增加还是减少？为什么？ 提示：完好的杯子落到地上摔碎了，它不可能自发地恢复到原来的状态，此过程是一个不可逆过程，这个过程中杯子的无序程度增加了，所以熵增加了。 科学思维——热机及其效率 2．(选自沪科版教材课后练习)设一台蒸汽机中，1 kg煤完全燃烧后，产生2.9×107 J的热量，其分配情况如下：锅炉损失5.9×106 J，传送蒸汽损失1.2×106 J，蒸汽冷凝损失4.0×106 J，废气带走损失1.4×107 J，机械磨损损失0.7×106 J。试画出其能流图。这台蒸汽机输出的机械能是多少？热机的效率是多少？ 答案：能流图见解析　3.2×106 J　11.0% A．满足能量守恒定律，所以可行 B．不满足热力学第二定律，所以不可行 C．不满足机械能守恒定律，所以不可行 D．不满足能量守恒定律，所以不可行 解析：该装置可以持续不断的对外做功，违背了能量守恒定律，故不可行，D正确。 答案：D　 2．(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是 (　 ) A．A端为冷端，B端为热端 B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的 C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的 D．该装置气体进出过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律 E．该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律 解析：依题意，中心部位为热运动速率较低的气体，与挡板碰撞后反弹，从A端流出，而边缘部位热运动速率较高的气体从B端流出；同种气体分子平均热运动速率较大，其对应的温度也就较高，所以A端为冷端，B端为热端，故A正确；依题意，A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，所以从A端流出的气体分子热运动平均速率小于从B端流出的，故B正确；从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能，内能的多少还与分子数有关，不能得出从A端流出的气体内能一定大于从B端流出的气体内能，故C错误；该装置将冷热气体进行分离，喷嘴处有高压，即通过外界做功而实现的，并非自发进行的，没有违背热力学第二定律；温度较低的从A端流出，温度较高的从B端流出，也符合能量守恒定律，故D错误，E正确。 答案：ABE　 [解析]　发电站的发电效率约为90%×40%×99%＝35.64%，A错误；提高输送电压并不能提高发电站的发电效率，B错误；1 kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为2.93×107 J×35.64%×90%≈9.4×106 J，C正确；由于1 kW·h＝3.6×106 J，≈0.38 kg，用户端消耗1 kW·h的电能，发电站需要烧约0.38 kg的标准煤，D错误。 解析：蒸汽机工作过程能流图： 蒸汽机输出的机械能E＝2.9×107 J－5.9×106 J－1.2×106 J－4.0×106 J－1.4×107 J－0.7×106 J＝3.2×106 J。热机的效率η＝＝×100%≈11.0%。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.17世纪70年代，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，其结构如图所示，在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上、下端各有一个小孔P、Q，斜面下有一个连接两小孔的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，由于这时球具有速度所以可以对外做功，然后铁球又被磁铁吸引回到上端，到P处又漏下……对于这个设计，下列判断正确的是(　 ) $$