第3章 第三节 热力学第二定律（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第三节　热力学第二定律 核心素养导学 物理观念 (1)了解热力学第二定律的内涵。 (2)知道自然界宏观过程的方向性。 科学思维 (1)知道与热现象有关的宏观过程的方向性。 (2)能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程。 科学态度与责任 能依据道德规范评价物理技术的应用，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。 一、热现象的方向性 1．热传导的方向性 (1)热量可以自发地从_____物体传递给_____物体，或者由物体的_____部分传递给______部分。 (2)热量不能自发地从______物体传递给_____物体，或者由物体的_____部分传递给______部分。 (3)热传导过程是________过程，具有________。 高温 低温 高温 低温 低温 高温 低温 高温 不可逆 方向性 2．机械能和内能转化的方向性 (1)机械能和内能的转化过程具有________。 (2)机械能可以______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_______________。 (3)第二类永动机：从__________吸收热量并全部用来做功的热机。由于违反能量转化的________，因此第二类永动机是不可能制造出来的。 3．扩散的方向性 两种不同的气体可以_______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________分开成为两种气体。 方向性 全部 产生其他影响 单一热源 方向性 自发地 自发地 二、热力学第二定律 1．克劳修斯表述 热量不能________从低温物体传递到高温物体。或者说，不可能使热量由___________传递到__________，而不引起其他变化。(说明热传导的方向性) 2．开尔文表述 不可能从__________吸收热量并把它全部用来_____，而不产生其他影响。(说明机械能与内能转化的方向性) 自发地 低温物体 高温物体 单一热源 做功 1. 若室内的温度恒定，一杯热水静置一段时间后就会变成一杯常温的水，但一杯常温的水不会自行变成一杯热水。下落的石头因为与空气摩擦而变热，一部分机械能转化成了内能，但石头不能把内能自动转化为机械能，使自己重新飞上天去。 请对以下说法作出判断： (1)热量可以自发地由高温物体传递到低温物体。 ( ) (2)热量不可能由低温物体传递到高温物体。 ( ) (3)能量传递自发进行是有方向性的。 ( ) √ × √ 2．两个不同的物体接触时，热量自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么？ 提示：“自发地”的含义是指没有任何外界影响或者其他帮助。 3．我们假想：发明一种热机，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，而不引起其他变化。这是否可能？ 提示：热机不能把它得到的内能全部转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q，即使是理想热机，没有摩擦，没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中。 新知学习(一)|热力学第二定律的理解及应用 [任务驱动] 如图是热量在传递过程中的情景。 讨论： (1)在自然过程中热量是如何传递的？ 提示：热量由温度高的物体传递给温度低的物体，或由温度高的地方传递到温度低的地方。 (2)空调和冰箱是如何传递热量的？ 提示：空调和冰箱可以通过电机做功，把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。　 [重点释解] 1．对热力学第二定律的理解 (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。在传热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面的影响。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上下温度不同来发电。 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统一个循环结束时，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，过程中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。 4．热力学第二定律的其他描述 (1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性。 (2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 [典例体验] [典例]　(多选)下列现象不可能发生的是 (　 ) A．在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，能使该房间降温 B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能 C．一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能 D．在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体 [解析]　在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，消耗了电能，产生了焦耳热，所以房间温度不仅不能降低还会升高，故A不可能发生；蒸汽机不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，转化过程中必然存在能量耗散，故B不可能发生；一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能，C可能发生；在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，D可能发生。 [答案]　AB /易错警示/ 对热力学第二定律理解的两个误区 (1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体，不能由低温物体传到高温物体。 热量可以由高温物体传到低温物体，也可以由低温物体传到高温物体；但是，前者可以自发完成，而后者则必须有外界参与。 (2)误认为机械能可以完全转化为内能，而内能不能完全转化为机械能。 机械能可以完全转化为内能，内能也可以完全转化为机械能；但是，前者可以不产生其他影响，而后者一定会产生其他影响。 [针对训练] 1．下列哪一个过程具有方向性 (　 ) 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气体向真空中的膨胀过程 A．①②　　　　　　　 B．②③ C．①②③ D．①②③④ 解析：这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，根据热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性，故D正确，A、B、C错误。 答案：D 2． (多选)用两种不同材料的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。关于这一现象的正确说法是 (　 ) A．这一实验不违背热力学第二定律 B．在实验过程中，热水温度降低，冷水温度升高 C．在实验过程中，热水的内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能 D．在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能 解析：自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学第二定律，本实验现象也不违反热力学第二定律，A正确；整个过程中能量守恒且传热有方向性，B正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高了金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高了金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误。 答案：AB 新知学习(二)|热机和第二类永动机 [任务驱动] 如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，请在图片基础上思考以下问题： (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？ 提示：不是。热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。 (2)热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？ 提示：否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的释放到低温热库。 [重点释解] 1．热机的特点 (1)热机不仅仅只有一个热库。 (2)热机的效率不可能达到100%。 2．第二类永动机不能制成的原因：违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。 3．第二类永动机不能制成的意义 (1)机械能可全部转化成内能，但内能不能全部转化成机械能。 (2)机械能和内能的转化过程具有方向性。 (3)两类永动机的比较 第一类永动机 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去) 第二类永动机 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，实现内能与机械能的转化) [典例体验] [典例]　电能被广泛应用在动力、照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、人民经济飞跃的主要动力。如图所示为火电站电能产生与使用过程中各阶段的能量转化效率，已知1 kg标准煤完全燃烧时产生的热量约为2.93×107 J。则 (　 ) A．发电站的发电效率约为40% B．提高输送电压可以提高发电站的发电效率 C．1 kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为9.4×106 J D．用户端消耗1 kW·h的电能，发电站需要烧0.5 kg的标准煤 [针对训练] 1．(多选)关于热机的效率，下列说法正确的是 (　 ) A．有可能达到80%　　　 B．有可能达到100% C．有可能超过80% D．一定能达到100% 解析：根据热力学第二定律，热机效率永远也达不到100%。 答案：AC　 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　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——热现象的方向性 1．(选自人教版新教材课后练习)以下哪些现象能够发生、哪些不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？ (1)一杯热茶自然放置，茶会自动变得更热。 (2)蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能。 (3)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。 (4)电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体。 提示：(1)、(2)不能发生。(3)、(4)能发生，不违背热力学第二定律。 科学思维——热机及其效率 2．(选自沪科版新教材课后练习)设一台蒸汽机中，1 kg煤完全燃烧后，产生2.9×107 J的热量，其分配情况如下：锅炉损失5.9×106 J，传送蒸汽损失1.2×106 J，蒸汽冷凝损失4.0×106 J，废气带走损失1.4×107 J，机械磨损损失0.7×106 J。试画出其能流图。这台蒸汽机输出的机械能是多少？热机的效率是多少？ 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1． 17世纪70年代，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，其结构如图所示，在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上、下端各有一个小孔P、Q，斜面下有一个连接两小孔的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，由于这时球具有速度所以可以对外做功，然后铁球又被磁铁吸引回到上端，到P处又漏下……对于这个设计，下列判断正确的是 (　 ) A．满足能量守恒定律，所以可行 B．不满足热力学第二定律，所以不可行 C．不满足机械能守恒定律，所以不可行 D．不满足能量守恒定律，所以不可行 解析：该装置可以持续不断的对外做功，违背了能量守恒定律，故不可行，D正确。 答案：D 2．(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．电冰箱消耗电能，其制冷系统能够不断地把冰箱内的热 量传到外界，在室内打开冰箱门并不能起到制冷的效果 C．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律 解析：由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温物体传到高温物体，需要压缩机的帮助并消耗了电能，电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律，B、D正确，A错误；热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化或内能转移的规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，所以电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律，C错误。 答案：BD 3． 气闸舱是空间站中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理如图所示，座舱A与气闸舱B间装有阀门K，A中充满气体，B内为真空，航天员由太空返回到B时，将B封闭，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡，假设此过程中系统保持温度不变，舱内气体可视为理想气体，不考虑航天员的影响，则此过程中 (　 ) A．气体膨胀做功，内能减小 B．气体从外界吸收热量 C．气体分子在单位时间内对A舱壁单位面积碰撞的次数减少 D．一段时间后，A内气体的密度可以自发地恢复到原来的密度 解析：由于系统温度保持不变，所以气体内能不变，即ΔU＝0，气闸舱B内为真空，打开阀门K，A内的气体自由扩散，该过程气体不做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝0，既不吸热也不放热，故A、B错误；气体体积增大，则气体分子的数密度减小，温度不变，则分子的平均动能不变，则气体分子在单位时间对A舱壁单位面积碰撞的次数减少，故C正确；根据热力学第二定律可知，B中气体不能自发地退回到A中，即A内气体的密度不可能自发地恢复到原来的密度，故D错误。 答案：C “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （十一） (单击进入电子文档) 34 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。 3．热力学过程方向性实例 (1)高温物体低温物体 (2)功热 (3)气体体积V1气体体积V2(较大) (4)不同气体A和B混合气体AB [解析]　发电站的发电效率约为90%×40%×99%＝35.64%，A错误；提高输送电压并不能提高发电站的发电效率，B错误；1 kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为2.93×107 J×35.64%×90%≈9.4×106 J，C正确；由于1 kW·h＝3.6×106 J，≈0.38 kg，用户端消耗1 kW·h的电能，发电站需要烧约0.38 kg的标准煤，D错误。 [答案]　C 解析：蒸汽机工作过程能流图： 蒸汽机输出的机械能E＝2.9×107 J－5.9×106 J－1.2×106 J－4.0×106 J－1.4×107 J－0.7×106 J＝3.2×106 J。热机的效率η＝＝×100%≈11.0%。 答案：能流图见解析　3.2×106 J　11.0% $$