3.热力学第二定律-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义配套课件（教科版2019）

3.热力学第二定律 　　　　 第三章　热力学定律 1.知道自然界中很多宏观过程具有方向性。 2.能深刻理解热力学第二定律的内容，提高学生观察记忆能力。 3.运用热力学第二定律知识解释典型的物理现象，提高综合应用能力。 素养目标 知识点一　对热力学第二定律的理解 1 知识点二　热力学第一定律和热力学第二定律的比较 2 课时测评 4 随堂达标演练 3 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 知识点一　对热力学第二定律的理解 返回 自主学习 情境导学　根据如下实例思考有关问题： (1)如图甲为一杯热茶，放置一段时间后会变凉，那么凉茶水会自动再变热吗？这说明热传递有什么特点？ 提示：不会。热传递有方向性。 (2)如图乙为一滴红色颜料滴进一杯清水中，经过一段时间后整杯水会均匀地变红。那么水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？这说明扩散现象有什么特点？ 提示：不能。扩散现象有方向性。 (3)一辆运动的玩具小车在地面上滑行一段距离后停下来，小车的机械能转化成什么能了？停下来的小车能自动运动起来吗？这说明机械能与内能间的转化有什么特点？ 提示：内能。不能。机械能与内能的转化有方向性。 (阅读教材P63－P65完成下列填空) 1．自然界中宏观过程的方向性 一切与热现象有关的宏观自然过程，如热传递、扩散、气体的自由膨胀、机械能和内能之间的转化都具有______性，其相反的过程是不可能______产生的。 方向 自发 2．热力学第二定律 (1)热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不可能______地从低温物体传递到高温物体。该表述阐述的是热传递过程的方向性。 (2)热力学第二定律的开尔文表述 不可能从单一热源吸收热量，使之____________，而不产生其他影响。该表述阐述的是功热转化的方向性。 (3)对任何一种宏观自然过程方向性的说明，都可作为热力学第二定律的表述。热力学第二定律的各种表述都是______的，并可从一种表述导出另一种表述。 (4)热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的________。 自发 全部变成功 等价 方向性 合作探究 问题探究　如图分别为制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题： (1)制冷机工作时热量是自发地从低温热源传到高温热源吗？ 提示：不是。热量从低温热源传到高温热源时需要有外界做功。 (2)热机工作时能否将从高温热源吸收的热量全部用于做功？ 提示：不能。热机工作时只能将从高温热源吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热源。 例1 √ √ (多选)如图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内、外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是   A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C．电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律 D．电冰箱的工作原理违背热力学第二定律 根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功，故A错误，B正确；电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律，故C正确，D错误。 解题导引　热力学第二定律表述的自然界中与热有关的宏观过程都具有方向性指的是自发过程。 1．热力学第二定律表述中的几个关键词含义的理解 关键词 含义理解 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。在传递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 不产生其 他影响 是指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 探究归纳 单一热源 是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 不可能 是指实际上热机或制冷机系统循环时，除了从单一热源吸收热量对外做功，以及热量从低温热源传到高温热源以外，过程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 探究归纳 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的宏观过程的方向性，进而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。 探究归纳 探究归纳 探究归纳 √ 针对练1.(2023·上海奉贤期末)下列说法正确的是 A．热量不可能由低温物体传给高温物体 B．气体的扩散过程具有方向性 C．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性 D．一切形式的能量间的相互转化都不具有方向性 热量不能自发地由低温物体传给高温物体，但在引起其他变化的情况下可以由低温物体传给高温物体，故A错误；气体的扩散具有方向性，故B正确；并不是一切形式的能量的相互转化都具有方向性，比如动能可以转化为势能，势能也可以转化为动能，故C错误；并不是一切形式的能量的相互转化都不具有方向性，比如机械能与内能的转化就具有方向性，故D错误。 针对练2.热力学第二定律表明 A．可能从单一热源吸收热量使之全部变为功，而不产生其他影响 B．不违反能量守恒定律的热现象不一定都能发生 C．热不能全部转变为功 D．热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体 √ 根据热力学第二定律可知，A错误；热力学第二定律表明不违反能量守恒定律的热现象不一定都能发生，故B正确；根据热力学第二定律可知，热可以全部转变为功，但是会引起其他的变化，故C错误；根据热力学第二定律可知，热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体，但有外界做功的话，可以从低温物体传递到高温物体，比如冰箱，故D错误。 返回 知识点二　热力学第一定律和热力学第二定律的比较 返回 1．热力学两定律的比较   热力学第一定律 热力学第二定律 区别 是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机 联系 两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论 基础 2.两类永动机的比较   第一类永动机 第二类永动机 设计 要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去) 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，实现内能向机械能的转化) 不可能制 成的原因 违背了热力学第一定律和能量守恒定律 违背了热力学第二定律 关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是 A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的 B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾 C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别 D．能量守恒定律包含了热力学第一定律和热力学第二定律 √ 例2 热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性。二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，B正确，A、C、D错误。 针对练2.下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有______，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有______。(填正确答案标号) A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热 B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低 C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响 D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的 室内 √ √ A项符合热力学第一、第二定律；B项中冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个温度升高，一个温度降低，或温度都不变，违背了热力学第一定律；C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第二定律。 返回 随堂达标演练 返回 √ 1．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是 A．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加 B．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功 C．不可能使热量从低温物体传向高温物体 D．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 √ 根据热力学第一定律可知，对某物体做功，物体可能同时会放热，故不一定会使该物体的内能增加，故A错误；根据热力学第二定律可知，可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，但是会引起其他变化，故B正确；根据热力学第二定律可知，不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体，故C错误；根据热力学第二定律可知，功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程，故D正确。 √ 2．(多选)下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是 A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中，而经过一段时间，大米、小米不会自动分开 B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，墨水会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开 C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会将内能自发地转化为机械能而动起来 D．虽然热机效率不断提高，但最终也不能使热机的效率达到100% √ √ 热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性，A不属于热现象，不符合题意；由热力学第二定律可知B、C、D符合题意。 √ 3．(多选)关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是 A．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的 B．热力学第二定律的两种表述是等价的 C．第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律 D．第二类永动机违背了能量转化的方向性 √ √ 热力学第二定律有两种不同的表述形式，但它们是等价的，它与热力学第一定律是各自独立的，A、B正确；第二类永动机没有违背能量守恒定律，但违背了能量转化的方向性，即违背了热力学第二定律，故C错误，D正确。 √ 4．(多选)下列现象中，既符合能量守恒定律又遵循热力学第二定律的是A．电冰箱通电后能把箱内低温物体的热量传到箱外的高温环境中 B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能 C．人类开发了潮汐发电技术，所获得的电能是由海水的机械能转化来的 D．一杯热茶自然放置，茶水会慢慢冷却 √ √ 电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温环境中，此过程中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，能发生；蒸汽机的能量损失不可避免，不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，违背了热力学第二定律，不能发生；人类开发了潮汐发电技术，所获得的电能是由海水的机械能转化来的，不违背热力学第二定律，能发生；热传递具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，故一杯热茶自然放置，茶水会慢慢冷却，不违背热力学第二定律，故A、C、D正确。 返回 课 时 测 评 返回 1.把水和酒精混合后，用蒸发的方式又可以分开，然后液化恢复到原来的状态，这说明 A．扩散现象没有方向性 B．将水和酒精分开时，引起了其他变化，故扩散具有方向性 C．将水和酒精分开时，并没有引起化学变化，故扩散现象没有方向性 D．用本题的实验，无法说明扩散现象是否具有方向性 √ 由题意可知，两者混合时是自动发生的，但两者分离时，要先加热后冷却，也就是说，向分离与向混合这两个方向的发展是可以通过过程是否自动完成、是否需要外加其他手段才能完成来区分的，因此，可以证明扩散是有方向性的，B正确，A、C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 2．(2024·全国高三专题练习)下列哪个过程具有方向性 ①热传递过程　 ②机械能向内能的转化过程 ③气体的扩散过程　 ④气体向真空中的膨胀 A．①② B．②③ C．①②③ D．①②③④ 这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，它们都是不可逆的，都具有方向性，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 3．(多选)若有人想制造一种使用于轮船上的机器，它从海水中吸热全部转变为功，关于这种设想，下列说法正确的是 A．这种机器能制成 B．这种机器不能制成 C．这种机器违反了热力学第一定律 D．这种机器违反了热力学第二定律 这种机器从海水中吸热全部转变为功，这相当于第二类永动机，第二类永动机不违反热力学第一定律，但违反了热力学第二定律，不能制成，故B、D正确。 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 4．(2023·乌鲁木齐第八中学高二期末)以下现象违背热力学第二定律的是 A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉 B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100% C．桶中浑浊的泥水静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 热茶自动变凉是热量自发从高温物体传递到低温物体，不违背热力学第二定律；任何热机效率都不可能达到100%，违背热力学第二定律；泥、水自动分离是机械能向内能的转化，不违背热力学第二定律；物体因摩擦力而停下来，是机械能向内能的转化，是自发过程，不违背热力学第二定律，故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 5．(多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的是 A．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减小 B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的 C．第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律 D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体” √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，Q＝0，W＜0，根据ΔU＝Q＋W可知，气体的内能减小，故A正确；热力学第二定律表明：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确；第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律和能量守恒定律，故C错误；热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化”，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 6．(2024·连云港市高二月考)热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是 A．能量耗散说明能量守恒定律不正确 B．能量耗散不符合热力学第二定律 C．能量耗散过程中能量不守恒 D．能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中的宏观过程具有方 向性 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来，其满足能量守恒定律，也符合热力学第二定律，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降低了；能量耗散反应了涉及热现象的宏观过程都具有方向性，所以A、B、C错误，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 7．(2023·唐山高二检测)根据热力学定律和能量守恒定律，下列说法中正确的是 A．空调在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量 B．通过采用先进技术，热机可以把燃料产生的内能全部转化为机械能 C．在密闭的房间里，把正常工作的冰箱门打开，可以使房间降温 D．在密闭的房间里，把正常工作的冰箱门打开，房间温度不会有任何 变化 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 空调在制冷过程中，把室内的热量向室外释放，消耗电能，产生热量，则从室内吸收的热量少于向室外放出的热量，A正确；根据热力学第二定律可知，即使通过采用先进技术，热机也不能够把燃料产生的内能全部转化为机械能，B错误；冰箱的工作原理是将里面的热量移除使内部的温度降低，并且自身工作也会消耗电能产生热量，所以当冰箱在密闭的房间里并打开，此时冰箱内外部相通，无法降温，房间温度会升高，C、D错误。故选A。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 8.关于第二类永动机，甲、乙、丙、丁4名同学争论不休。 甲：第二类永动机不违反能量守恒定律，应该可以制造成功。 乙：虽然内能不可能全部转化为机械能，但在转化过程中可以不引起其他变化。 丙：摩擦、漏气等因素导致能量损失，第二类永动机也因此才不能制成。 丁：内能与机械能之间的转化具有方向性才是第二类永动机不可能制成的原因。 你认为以上说法正确的是 A．甲 B．乙 C．丙 D．丁 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 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，甲同学说法错误；内能在转化为机械能的过程中要向低温热源传递热量，所以要引起其他变化，乙同学说法错误；第二类永动机不能制成的原因是违反了热力学第二定律，丙同学说法错误；内能与机械能之间的转化具有方向性才是第二类永动机不可能制成的原因，丁同学说法正确，故D 正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 9. (多选)如图所示，气缸内盛有一定质量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触面是光滑的，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杆对外做功。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．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律 B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 气缸壁是导热的，外界环境温度不变，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，气体等温膨胀，所以气缸内的气体温度不变，内能 也不变，该过程气体是从单一热源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，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生，故C、D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 10．(2023·黄石高二检测)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，是实现科学技术发展、人民经济飞跃的主要动力。如图为某发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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 11．(10分)一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1 kW，制冷能力1.2×104 kJ/h，制热能力1.3×104 kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1 J电能，将放出3 J的热量。标注是否错误？ 答案：空调制冷、制热是靠压缩机做功，通过内部的制冷剂将热量从温度低的地方向温度高的地方传递。在制热时，室内温度高，室外温度低，热量不会自发地从室外向室内传递。要实现这一过程就会引起其他的变化，这里的其他变化正是通过压缩机做功消耗电能的过程，题中放出3 J的热量是指将3 J的内能从室外传递到室内，需消耗1 J的电能。整个过程既不违背热力学第一定律，又符合热力学第二定律的方向性。因此标注没有错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 空调制冷、制热是靠压缩机做功，通过内部的制冷剂将热量从温度低的地方向温度高的地方传递。在制热时，室内温度高，室外温度低，热量不会自发地从室外向室内传递。要实现这一过程就会引起其他的变化，这里的其他变化正是通过压缩机做功消耗电能的过程，题中放出3 J的热量是指将3 J的内能从室外传递到室内，需消耗1 J的电能。整个过程既不违背热力学第一定律，又符合热力学第二定律的方向性。因此标注没有错误。 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 谢 谢 观 看 ！ 第三章　 　热力学定律 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 3.几个热现象实例过程的方向性 (1)高温物体低温物体。 (2)机械能内能。 (3)气体体积V1(较小)气体体积V2(较大)。 (4)不同气体A和B混合气体AB。 发电站的发电效率为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2.93×107×35.64%×90% J≈9.4×106 J，C正确；由于1 kW·h＝3.6×106 J，≈0.38 kg，所以用户端消耗 1 kW·h的电能，发电站需要烧约0.38 kg的标准煤，D错误。 $$