第3节 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（粤教版2019）

第三节　热力学第二定律

【素养目标】　1.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。　2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。　3.能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。

知识点一　自然界宏观过程的方向性

 [情境导学]　(1)热水可以自发不断地向外传递热量，直到与环境温度一致为止。有没有可能，热水自发从周围环境吸热，温度不断地升高？内能的转移有没有方向性？

       

(2)汽车刹车时，动能转化成内能。有没有可能，汽车自动收集内能转化为动能，重新运动起来？机械能与内能转化时有无方向性？

提示：(1)不可能。内能在转移时具有方向性。

(2)不可能。机械能与内能在转化时具有方向性。

(阅读教材P66－P68完成下列填空)

1．热传导的方向性

热量从高温物体向低温物体的热传导过程是自发进行的，反之，必须借助外界的作用。

2．机械能和内能转化的方向性

(1)机械能可以全部转化为内能，内能却无法全部用来做功以转化为机械能，而不产生其他影响。

(2)第二类永动机

①从单一热源吸收热量并全部用来做功，把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达到100%。这种想象中的热机被称为第二类永动机。

②第二类永动机并不违反能量守恒定律，但是，由于内能全部转化为机械能而不产生其他影

响是不可能的，因此第二类永动机是不可能制造出来的。

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3．扩散的方向性

两种不同的气体可以自发地混合，最后成为一种均匀的混合气体。相反，一种均匀的混合气体却不会自发地分开成为两种气体。

[问题探究]　第二类永动机是否因违背能量守恒定律而不能制成？

提示：否。第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律。

下列过程中可能发生的是(　　)

A．某种物质从高温热源吸收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：内能自发地全部转化为机械能而不产生其他影响是不可能的，故A错误；气体扩散具有方向性，不能自发逸出又自发跑进去恢复原状，B错误；热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可以实现的，C正确；扩散现象有方向性，因此不能自发地各自分开，D错误。

一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。

针对练．(多选)关于自然过程中的方向性，下列说法正确的是(　　)

A．摩擦生热的过程是可逆的

B．凡是符合能量守恒定律的过程一般都是可逆的

C．实际的宏观自发过程都具有“单向性”或“不可逆性”

D．气体的自由膨胀是不可逆过程

答案：CD

解析：机械能和内能的转化过程具有方向性，所以摩擦生热的过程是不可逆的，故A错误；实际的宏观自发过程都符合能量守恒定律，具有“单向性”或“不可逆性”，故B错误，C正确；气体自由膨胀的过程具有方向性，是不可逆的，故D正确。

知识点二　热力学第二定律

[情境导学]　如图是制冷机和热机的工作过程示意图。

(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)热机工作时是否将从高温热源吸收的热量全部用来做功？

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)否。热机工作时将从高温热源吸收的热量一部分用来做功，剩余的释放到低温热源。

(阅读教材P68完成下列填空)

1．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递到高温物体。或者说，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。

(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。

(2)“不引起其他变化”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。

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并把它全部用来做功，而不产生其他影响。

(1)“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。

(2)“不产生其他影响”指热量全部转化为功，而外界及系统都不发生任何变化，热机效率达到了100%。

[问题探究]　第二类永动机是否遵循热力学第二定律？

提示：不遵循，故不能制成。

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