第3章 3.能量守恒定律 4.热力学第二定律(word教参)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步练测（人教版2019）

3.能量守恒定律 4.热力学第二定律 学习目标 1.了解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。 2.知道第一类永动机是不可能制成的。 3.知道传热的方向性及任何热现象的宏观过程都是不可逆的。 4.了解热力学第二定律，运用热力学第二定律解决一些实际问题。 5.认识能源和环境与人类生存的关系 [对应学生用书第53页] 一、能量守恒定律 1.内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2.意义 （1）各种形式的能可以相互转化。 （2）各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 二、永动机不可能制成 　永动机的思想违背了能量守恒，所以是不可能制成的。 三、热力学第二定律的克劳修斯表述 1.热传导的方向性 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 2.热力学第二定律的克劳修斯表述 德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的方向性。 四、热力学第二定律的开尔文表述 1.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。（该表述阐述了机械能与内能转化的方向性） 2.意义：开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化成机械能。 五、能源是有限的 　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，但有些能量变成了不可再用的能量。能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 1.判断下列说法的正误（正确的画“√”，错误的画“×”）。 （1）违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。 （√） （2）一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 （√） （3）热量不会从低温物体传给高温物体。 （×） （4）机械能可以完全转化为内能。 （√） （5）内能不可能完全转化为机械能。 （×） （6）可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功。 （√） 2.热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明热传递过程具有　　　　。冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这　　　　（选填“违反”或“不违反”）热力学第二定律。  答案　方向性　不违反 [对应学生用书第54页] 要点一　能量守恒定律的理解和应用 　（1）使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递。做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能。在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？ （2）下图为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ 提示：（1）能量的总量不会减少。 （2）这不是永动机，手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动，若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。 1.能量的存在形式及相互转化 （1）各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。 （2）各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。 2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是—切自然现象都遵守的基本规律。 3.第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，W＜0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。 [例1]　（多选）下列对能量守恒定律的认识中，正确的是 （　　） A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的能量供给而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的 D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 [解析]　A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的。这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移。第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，所以A、B、C正确；D选项中机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误。 [答案]　ABC 1.（多选）下列关于第一类永动机的说法正确的是 （　　） A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器 B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律 C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题 D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律 解析　第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因。 答案　AD 要点二　热力学第二定律的理解 （1）热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？ （2）如图所示是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来做功？ 提示：（1）不能，两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助。有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。 （2）①不是；②不能。 1.自然过程的方向性 （1）热传导具有方向性 两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。 （2）气体的扩散现象具有方向性 两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体。 （3）机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。 （4）气体向真空膨胀具有方向性 气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空。 2.在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义 （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）“不产生其他影响”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向的影响，如吸热、放热、做功等。 （3）“单一热库”：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。据报道，有些国家已在研究利用海水温度差来发电。 （4）“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，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，用任何办法都不可能加以消除。 　　（1）热力学第二定律的两种表述是等效的。 （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宏观过程的方向性，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。 [例2]　（多选）根据热力学第二定律分析，下列说法中正确的是 （　　） A.热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体 B.热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体 C.机械能可以全部转化为内能，但变化的内能不可以全部转化为机械能 D.机械能可以全部转化为内能，变化的内能也可以全部转化为机械能 [解析]　根据传热的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地（不需要外界帮助）从低温物体传到高温物体，但是如果借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，故A错误，B正确；机械能可以全部转化为内能（如一个运动物体克服摩擦力做功且最终停止运动时，机械能全部转化为内能），在一定条件下，变化的内能也可以全部转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全部用来做功，故C错误，D正确。 [答案]　BD 　　（1）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。 （2）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库吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响。 2.在热学中，下列说法正确的是 （　　） A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律 B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律 C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能 D.热量只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体传向高温物体 解析　不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，故A正确；从单一热库吸收热量而对外做功的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，故B错误；热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能，而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能，故C错误；热量能从高温物体传向低温物体，在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体，故D错误。 答案　A 要点三　能源的开发和利用 　（1）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）如图所示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。 （2）能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。 1.能源的分类 能源分类方法 按形成或转换特点 能源分类 一次能源 二次能源 特点 自然形成，未经加工 由一次能源经过加工转换而成 举例 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能 焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能 2.能源开发和利用 加强新能源特别是清洁能源的开发和利用，控制化石能源开采，提高能源的利用率，降低对环境的污染。 [例3]　关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观点是错误的 （　　） A.常规能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为 B.根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现 C.能源的开发和利用，必须要同时考虑其对环境的影响 D.通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径 [解析]　能量虽然守恒，但能量耗散导致能量的品质降低即不可再利用，也往往对环境产生破坏，从而应开发新型的清洁型的能源，故B错误。 [答案]　B 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）能源是能够提供可利用能量的物质。 （3）能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源。 3.（多选）下列对能量耗散的理解中，正确的是（　　） A.能量耗散说明能量在不断减少 B.能量耗散遵守能量守恒定律 C.能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失 D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 解析　在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫作能量耗散，能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确。 答案　BD [对应学生用书第57页] 1.（能源的开发和利用）（多选）关于能源的开发和利用，下列观点正确的是 （　　） A.无节制地利用能源，是一种盲目的短期行为 B.根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的 C.能源的开发和利用，必须同时加强对环境的保护 D.不断开发新能源，是缓解能源危机的主要途径 解析　能源是有限的，必须合理利用能源，A正确；尽管能量守恒，但使用过程中会有能量耗散，常规能源并不是取之不尽，用之不竭的，B错误；能源利用推动人类进步的同时会破坏人类生存的环境，必须加强环境保护，C正确；开发新能源可以缓解常规能源的不足，D正确。 答案　ACD 2.（能量守恒定律）汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动，在这一过程中 （　　） A.汽车的机械能守恒 B.汽车的动能和势能相互转化 C.机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减少 D.机械能逐渐转化为内能，总能量不变 解析　汽车在关闭发动机后能匀速运动，说明汽车和斜坡之间一定有摩擦力作用，所以汽车的机械能不守恒，一部分机械能转化为内能，但能的总量保持不变，故选D。 答案　D 3.（热力学第二定律）（多选）根据热力学第二定律，下列判断正确的有 （　　） A.热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 B.电流的能不可能全部变成内能 C.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能 D.在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体 解析　凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”，故A正确；由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的能可以全部转化为内能，故B错误；火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，故C正确；热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主要思想，故D正确。 答案　ACD 学科网（北京）股份有限公司 $$