素养提升课二 热力学第一定律和气体实验定律的综合应用-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

3.热力学第二定律 【素养目标】　 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。 知识点一　对热力学第二定律的理解 [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？ (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？ (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：(1)不会。热传递有方向性。 (2)不能。扩散现象有方向性。 (3)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方向性，其相反的过程是不可能自发产生的。 2．热力学第二定律 (1)热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不可能自发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，使之全部变成功，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等价的，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方向性。 [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？ (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：(1)不是。热量从低温热源传到高温热源时需要有外界做功。 (2)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。 (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 学生用书↓第75页 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 [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。 答案：BC 解析：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。 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 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 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。 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。 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 答案：B 解析：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 答案：B 解析：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。 学生用书↓第76页 知识点二　热力学第一定律和热力学第二定律的比较 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 答案：B 解析：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1.关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是(　　 ) A．第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律 B．第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律 C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能 D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的 答案：D 解析：第一类永动机违背了热力学第一定律和能量守恒定律，第二类永动机违背了热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝Q＋W可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的，但会产生其他影响，D正确。 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 答案：B　C 解析：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。 学生用书↓第77页 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 答案：BD 解析： 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% 答案：BCD 解析：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 答案：ABD 解析：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 答案：ACD 解析：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。 误。 学科网（北京）股份有限公司 $$