4.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同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

4．热力学第二定律 【素养目标】　1.了解热力学第二定律的两种不同表述，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。2.运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题。3.理解能量耗散，知道能源是有限的，增强节约能源意识。 知识点一　热力学第二定律 [情境导学]　(1)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？这说明传热有什么特点？ (2)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。传热有方向性。 (2)不能。扩散现象有方向性。 (3)内能。机械能与内能的转化有方向性。 学生用书第82页 (阅读教材P59—P63完成下列填空) 1．热现象的方向性：只要涉及热现象的过程都有特定的方向性。一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 2．热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律。 3．热力学第二定律的克劳修斯表述：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。 4．热力学第二定律的开尔文表述 (1)热机 ①从能量的角度看，热机的工作分为两个阶段：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热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W<Q。 (2)热力学第二定律的开尔文表述：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。阐述的是机械能与内能转化的方向性。 5．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。 6．熵与熵增加原理 (1)1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。 (2)孤立系统：不与外界进行物质和能量交换的系统。 (3)熵增加原理：在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的。 [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库传到高温热库吗？ (2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用于做功？ 提示：(1)不是。热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。 (2)不能。热机工作时只能将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热库。 (多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是(　　 ) A．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化 B．没有冷凝器，只有单一的热库，能将从单一热库吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的 C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化 D．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 答案：AD 解析：热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A正确，B错误；传热过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，C错误，D正确。 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 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 学生用书第83页 单一热库 是指温度均匀并且恒定不变的系统。若某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 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，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都无法消除 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自然过程都具有方向性。 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．下列过程中可能发生的是(　　 ) A．某种物质从高温热库吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响 B．打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复原状 C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高 D．将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开 答案：C 解析：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给高温物体，但通过一些其他手段是可以实现的，故C正确；内能转化为机械能不可能自发地进行，要使内能全部转化为机械能必定会产生其他影响，故A错误；气体膨胀具有方向性，故B错误；扩散现象也有方向性，故D错误。 知识点二　热力学第一定律与热力学第二定律的比较 角度一　热力学第一定律与热力学第二定律的比较 (2024·山东威海市高二检测)对热力学第一定律和第二定律的理解，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．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 D．机械能不能全部转化为内能 答案：C 解析：根据热力学第二定律可知，热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，但在一定条件下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱的工作过程，故A错误；根据热力学第一定律可知，物体内能的变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，故B错误；内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化是热力学第二定律的表述形式之一，故C正确；机械能可以全部转化为内能，故D错误。故选C。 两个热力学定律的比较 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、化学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 　　 学生用书第84页 针对练．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。 角度二　两类永动机的比较 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，从单一热库吸收热量，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＝W＋Q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。 两类永动机的比较 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(或只有一个热库，实现内能向机械能的完全转化) 不可能制成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律 　　 知识点三　能源是有限的 [情境导学]　(1)如图甲为我国民间以前使用的水磨，流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？ (2)如图乙是两幅宣传节约能源的图片。请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？ 提示：(1)内能的品质低。 (2)能量是守恒的，但能量耗散却导致能量的品质降低，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来最终转化为低品质的能量。 (阅读教材P61—P62完成下列填空) 1．能量耗散：使用的能源最终都转化成内能，使得周围环境升温，分散在环境中的内能再也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．能源：具有高品质的容易利用的储能物质。 3．能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。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。 [问题探究]　(1)因为能量是守恒的，所以节约能源是没有必要的，对吗？ (2)能量耗散说明能量在转移和转化过程中的总量是逐渐减少的吗？ 学生用书第85页 (3)能源利用过程中虽然满足能量守恒定律，但能量的品质降低了，所以我们要节约能源，对吗？ 提示：(1)不对　(2)不是　(3)对 关于能量和能源的说法正确的是(　　 ) A．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源 B．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少 C．能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性 D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 答案：B 解析：根据能量守恒定律可知，能量不会凭空产生，也不会凭空消失，B正确，D错误；由于能量传递具有方向性，能量耗散导致能量品质降低，所以必须节约能源，A、C错误。 1．能量耗散的理解 (1)能量耗散是指使用的能源最终都转化为内能，分散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。 (2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观自发过程具有方向性。 (3)能量耗散虽然不会使能量的总量减少，却会导致能量的品质降低，它实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大有用的形式。 2．能量与能源的区别 (1)能量是守恒的，既不会增加也不会减少。 (2)能源是具有高品质的容易利用的储能物质。 (3)能量会耗散，能量总量不变，但能量品质会下降，即能源会减少，故我们要节约能源。　　 针对练1.(多选)关于能量和能源，下列表述正确的是(　　) A．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的 B．人类在利用能源的过程中，能量在数量上没有减少，但能量品质降低了 C．自然界中的能量转移和转化是有方向性的 D．现在人类在不断地开发和利用一些新能源，由此可见能量是可以被创造的 答案：BC 解析：能源是有限的，常规能源都是短期内不可再生的，在能源利用过程中，由于能量的转化、转移是有方向性的，使用的能源最后都转化成了内能，周围环境中的内能很难再利用，由此导致能量品质降低，故A错误，B、C正确；根据能量守恒定律可知，能量是不可能被创造的，故D错误。故选BC。 针对练2.关于能量和能源，下列说法中正确的是(　　 ) A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加 B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少 C．能量在转化和转移过程中，其总量保持不变，故节约能源没有必要 D．能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源 答案：D 解析：能量在转化和转移过程中，其总量保持不变，但能量的转化和转移具有方向性，耗散的能量难以收集再利用，且现有可利用的能源有限，所以我们要注意节约能源，A、B、C错误，D正确。 1．(多选)(鲁科版选择性必修第三册·P70·T5)关于电冰箱，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不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为它消耗了电能 C．电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理违背热力学第二定律 答案：BC 解析：由热力学第二定律可知，热量不能自发地由低温物体传到高温物体，除非施加外部的影响和帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，其工作原理并不违背热力学第二定律，故A、D错误，B正确；热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确。故选BC。 2．(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，气体的内能减少 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” 答案：AB 解析：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。 学生用书第86页 3.(多选)关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是(　　 ) A．第二类永动机违反了能量守恒定律 B．一切自发的过程总是沿着无序性减小的方向进行 C．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能是可能的 D．热力学第二定律的开尔文表述为：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 答案：CD 解析：第二类永动机不违反能量守恒定律，但是违反热力学第二定律，A错误；根据熵增加原理，一切自发的过程总是沿着无序性增大的方向进行，B错误；利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能是可能的，C正确；热力学第二定律的开尔文表述为：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，D正确。 4．(多选)关于能源和能量耗散的说法正确的是(　　 ) A．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性 B．能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的 C．能量的总量守恒，不会消失，所以没有必要节约能源 D．能量之间可以相互转化，故能源循环利用很方便 答案：AB 解析：能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发过程具有方向性，能量耗散过程中能量也是守恒的，故A正确；能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的，如煤炭和石油燃烧会造成空气污染和温室效应，故B正确；能量守恒定律是普遍规律，能源不是能量，自然界总的能量是守恒的，但能源是有限的，需要节约能源，故C错误；能量之间可以相互转化，但是这种转化有方向性，耗散的能量很难再被收集起来重新利用，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$