20 第3章 第4节 热力学第二定律-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义配套课件（人教版2019）

正禾一本通 一轮总复习 多媒体课件 英语（人教版） 物理选择性必修三 多媒体课件 第三章　热力学定律 第4节　热力学第二定律 1.了解热力学第二定律的两种表述及两种表述的物理实质。 2．能运用热力学第二定律解释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。 课标解读 探究点一　热力学第二定律　 √ 探究点二　能源是有限的　　 [课下巩固训练(十三)]　　 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看， 扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。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？这说明了什么？ 提示：不能，说明扩散有方向性。 化学能 内能 内能 机械能 1．热现象的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的，即与热现象有关的宏观自然过程都具有 。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不能 从低温物体传到高温物体。该表述阐述了传热的方向性。 3．热力学第二定律的开尔文表述 (1)热机 ①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的 变成工作物质的 ；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的 变成 。 不可逆 方向性 自发地 等价的 ②热机用于做功的热量一定 它从高温热库吸收的热量，即W Q。 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 ，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。 4．两种表述的关系 热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是 。 小于 < 完全变成功 【基点辨析】 判断下列说法的正误 (1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。( ) (2)机械能可以完全转化为内能，而内能不可能完全转化为机械能。( ) (3)热量不可能从低温物体传到高温物体。( ) × × 1．对热力学第二定律的理解 (1)热力学第二定律揭示了宏观自然过程的方向性。一切物理过程均遵循能量守恒定律，但是，遵循能量守恒定律的物理过程不一定能够实现。 (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。 (3)热机的效率总是小于1，因为它总要向低温热库散热。 2．热力学第一定律和热力学第二定律的比较 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 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 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 3.两类永动机的比较 项目 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 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化 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 【典例1】 (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．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 D．如果没有摩擦、漏气等，热机的效率可以达到100% 解析：选AC。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正确；热机效率无法达到100%，D错误。 【针对训练1】 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，使低温物体的温度更低，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 解析：选C。根据热力学第二定律，热量自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误；气体膨胀具有方向性，不能自发逸出又自发跑进去，使其恢复原状，B错误；根据热力学第二定律，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，因此混合后不能自发地各自分开，D错误。 【典例2】 (2020·全国卷Ⅱ)下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有________，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有________。(填正确答案标号) A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热 B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低 C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响 D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内 解析：A项符合热力学第一、第二定律。冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或温度都不变，B项描述违背了热力学第一定律。C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第二定律。 答案：B　C 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：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并最终转化为低品质的能量。 1．能源：具有 的容易利用的储能物质。 2．能量耗散：使用的能源最后都转化成内能，分散在环境中的内能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”。 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， 减少了。 高品质 能源 【基点辨析】 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？ 提示：内能。 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)能量会耗散，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。 【典例3】 下列说法正确的是(　　 ) A．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 B．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源 C．自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性 D．能量耗散现象说明，在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量的品质提升了 解析：选C。根据能量守恒定律，能量是不能被创造的，A错误；在能源的利用过程中，虽然能量在数量上并未减少，但是能源的品质在降低，所以需要节约能源，B错误；根据热力学第二定律可知，自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性，C正确；能量耗散现象说明，在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量的品质降低了，D错误。 【针对训练2】 热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　 ) A．能量耗散说明能量守恒定律不正确 B．能量耗散不符合热力学第二定律 C．能量耗散过程中能量不守恒 D．能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中的宏观过程都具有方向性 解析：选D。能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来，其满足能量守恒定律，也符合热力学第二定律，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了；能量耗散反映了涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故D正确，A、B、C错误。 　　　关于汽车的能量耗散 汽车行驶时要消耗汽油，汽油燃烧时释放的化学能变成了汽缸内气体的内能，一部分内能转化为汽车的动能，另一部分散失到周围环境中成为环境的内能，汽车的动能通过摩擦转化为环境的内能。汽缸内气体的内能还有一部分通过汽车发电机转化为蓄电池内的化学能。 【基础应用题】 1．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．凡是符合能量守恒的过程一般都是可逆的 C．涉及热现象的宏观自然过程都具有“单向性”或“不可逆性” D．空调机既能制冷又能制热，说明传热不存在方向性 答案：C 2．关于能量和能源，下列说法中正确的是(　　 ) A．能量在转化和转移的过程中，其总量有可能增加 B．能量在转化和转移的过程中，其总量会不断减少 C．能量在转化和转移的过程中总量保持不变，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 解析：选D。能量在转化和转移的过程中，总量是守恒的，但品质降低了，且现有可利用的能源有限，故我们要节约能源，D正确。 3．(多选)(2024·浙江湖州检测)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明(　　 ) A．热量能自发地从低温物体传给高温物体 B．在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体 C．热量的传递过程不具有方向性 D．在自发的条件下热量的传递过程具有方向性 解析：选BD。一切自发过程都有方向性，如传热，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；在外界帮助下，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体(冷冻食品)传向高温物体(周围的大气)，故B、D正确，A、C错误。 4．(多选)若有人想制造一种使用于轮船上的机器，它从海水中吸热全部转变为功，而不产生其他影响，关于这种设想，下列说法正确的是(　　 ) A．这种机器能造成 B．这种机器不能造成 C．这种机器违反了热力学第一定律 D．这种机器违反了热力学第二定律 解析：选BD。这种机器从海水中吸热全部转变为功，而不产生其他影响，这相当于第二类永动机，第二类永动机不违反热力学第一定律，但违反了热力学第二定律，不能造成，故B、D正确。 5．(2024·河北邯郸检测)以下现象违背热力学第二定律的是(　　 ) A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉 B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100% C．桶中浑浊的泥水静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能 解析：选B。热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体，不违背热力学第二定律；任何热机的效率都不可能达到100%，违背热力学第二定律；泥、水分离是机械能向内能的转化，不违背热力学第二定律；物体因摩擦力而停下来，是机械能向内能的转化，是自发过程，不违背热力学第二定律，故B正确。 【综合提升题】 6．(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” 解析：选AB。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＝W＋Q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。 7．(多选)关于空调机，下列说法正确的是(　　) A．制冷空调机工作时，热量从低温物体传到高温物体 B．制暖空调机工作时，热量从高温物体传到低温物体 C．冷暖空调机工作时，热量既可以从低温物体传到高温物体，也可以从高温物体传到低温物体 D．冷暖空调机工作时，热量只能从低温物体传到高温物体 解析：选ABC。制冷空调机工作时，热量可以从低温物体传到高温物体，此过程有外界做功；制暖空调机工作时，热量从高温物体传到低温物体。故冷暖空调机工作时，热量既可以从低温物体传到高温物体，也可以从高温物体传到低温物体，故A、B、C正确，D错误。 8．热力学第二定律常见的表述方式有两种，其一：热量不能自发地从低温物体传到高温物体；其二：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。第一种表述方式可以用如图所示的示意图来表示，根据你对第二种表述的理解，如果也用类似的示意图来表示，你认为下列选项中正确的是(　　) 解析：选B。由题图可知，使热量由低温物体传递到高温物体必伴随压缩机的做功，即引起其他变化；对于第二种方式，热机工作时，从高温物体吸收热量，只有一部分用来对外做功，转化为机械能，另一部分热量要排放给低温物体，故B正确，A、C、D错误。 9．如图所示，两种不同的金属组成一个回路，接触头1置于热水杯中，接触头2置于冷水杯中，此时回路中电流计发生偏转，这是温差电现象，假设此过程电流做功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得(　　 ) A．Q1＝W B．Q1>W C．Q1<Q2 D．Q1＋Q2＝W 解析：选B。根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他影响，所以从热水中吸收的热量Q1应该大于电流做的功W，即Q1>W，故A错误，B正确。根据能量守恒定律和热力学第二定律可知，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分是电能W，另一部分是冷水吸收的热量Q2，即Q1＝Q2＋W，故C、D错误。 10．(多选)(2024·福建莆田检测)电冰箱的工作原理示意图如图所示，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反热力学第二定律 D．电冰箱和常见家用空调虽然都是制冷设备，但制冷原理却完全不相同 解析：选BC。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，要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功，故A错误，B正确；电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律，故C正确；电冰箱和常见家用空调的制冷原理是相同的，D错误。 【创新拔高题】 11．(多选)(2022·湖南高考改编)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　　 ) A．A端为冷端，B端为热端 B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的 C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的 D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律 解析：选AB。由题意知，从A端流出的是分子热运动速率较小的气体，故A端为冷端，B端为热端，因此A端流出的气体，分子热运动的平均速率一定小于B端流出的，但两端气体的质量未知，所以无法确定气体内能的大小关系，A、B正确；C错误；该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律，是在外界的影响下，冷热气体分离开来，D错误。 $$