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。 学生用书↓第57页 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。 学生用书↓第58页 下列说法中正确的是(　　) A．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体 B．效率为100%的热机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律 C．不可能从单一热源吸收热量使之完全变成功，而不产生其他影响 D．第二类永动机不可能成功的原因是违反了能量守恒定律 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到高温物体，但在以消耗其他能量为代价的条件下，热量也可以从低温物体传到高温物体，故A错误；效率为100%的热机不可能制成，没有违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故B错误；根据热力学第二定律可知，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，故C正确；第二类永动机不可能成功的原因是违反了热力学第二定律，并不是违反了能量守恒定律，故D错误。故选C。 (多选)(2023·广州市高二月考)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了热力学第二定律 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，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、C正确。 热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的。例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热源吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响。 知识点三　热力学第一定律和热力学第二定律的比较 1．两定律的比较 项目 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 (1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料却可以不断做功，违背了能量守恒定律。 (2)第二类永动机：将内能全部转化为机械能，热机效率为100%的热机，不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律。 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，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能 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．汽车内燃机气缸内汽油燃烧时，气体体积膨胀推动活塞对外做功。已知在某次对外做功的冲程中，气油燃烧释放的化学能为1×103 J，因尾气排放、气缸发热等对外散失的热量为8×102 J。该内燃机的效率为________。随着科技的进步，可设法减少热量的损失，则内燃机的效率能不断提高，其效率________(选填“有可能”或“不可能”)达到100%。 答案：20%　不可能 解析：由热力学第一定律知W＝ΔU－Q＝1×103 J－8×102 J＝2×102 J，效率为η＝＝×100%＝20% 根据热力学第二定律可知，内燃机的效率不可能达到100%。 学生用书↓第59页 1．下列哪些过程具有方向性(　　) ①热传导过程　②机械能向内能的转化过程　③气体的扩散过程　④气体在真空中的膨胀 A．①② B．②③ C．①②③ D．①②③④ 答案：D 解析：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，具有方向性，故D正确。 2．(多选)下列现象能够发生的是(　　) A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热 B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能 C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体 答案：CD 解析：热茶温度比周围环境温度高，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，A错误；蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功，即热蒸汽推动活塞做功，这一过程中，一方面由于活塞摩擦气缸而产生内能，另一方面热蒸汽与周围环境有温度差，蒸汽机会向周围环境散热，所以，蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能是不可能的，B错误；混浊的泥水静置一段时间后，由于泥沙比水的密度大，泥沙会自动下沉，从而使得上面的水变清了，此过程不违背热力学第二定律，泥沙的重心降低，重力势能减少了，水的重心升高，水的重力势能增加了，但系统总的重力势能减少了，最终转化为内能，而机械能百分之百地转化为内能是可能的，C正确；电冰箱通电后，电冰箱内的压缩机工作，消耗电能，将热量由箱内低温物体传递到箱外高温物体，没有违背热力学第二定律，因为它是通过消耗了电能从而引起其他变化的，D正确。故选CD。 3．下列说法正确的是(　　) A．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机 B．第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律 C．第一类永动机只违背了能量守恒定律，并没有违背热力学第一定律 D．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在原理上是可能的 答案：D 解析：根据热力学第二定律，从单一热源吸收热量，全部用来对外做功而不引起其他变化是不可能的，故A错误；第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了热力学第二定律，故B错误；热力学第一定律实际上就是内能与其他形式的能量发生转化时的能量守恒定律，第一类永动机违背了热力学第一定律，故C错误；根据热力学第二定律可知，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，这在原理上是可行的，故D正确。故选D。 4．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，二者本质不同，相互补充，并不矛盾，B正确，A、C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$