3.3 热力学第二定律 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（粤教版2019）

DISANZHANG 第三章 第三节　热力学第二定律 学习目标 1.了解自然界中宏观过程的方向性。 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(重点)。 3.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移的方向性问题(难点)。 2 一、自然界中宏观过程的方向性 二、热力学第二定律 课时对点练 三、热力学第一定律和热力学第二定律的比较 内容索引 3 一 自然界中宏观过程的方向性 4 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？ 答案　不能，说明扩散有方向性。 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______进行的，反过来，要使热量从低温物体传递给高温物体，则必须借助外界的作用。 梳理与总结 自发 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________________。 (2)第二类永动机 ①从_________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_____________，但是，由于内能全部转化为机械能而不产生其他影响是_______的，因此第二类永动机是不可能制造出来的。 不产生其他影响 单一热源 能量守恒定律 不可能 3.扩散的方向性 两种不同的气体可以______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。 自发 　(2022·河南驻马店高二期末)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 例1 √ 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； 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。 二 热力学第二定律 11 1.能够揭示宏观过程方向性规律的是热力学第二定律。 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_______________。(该表述阐述的是热传导的方向性) 自发地 不引起其他变化 3.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_____________，而不产生其他影响。(该表述阐述的是机械能和内能转化的方向性) 4.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是_____(选填“等价”或“不等价”)的。 全部用来做功 等价 1.热传导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”？ 讨论与交流 答案　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.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？ 答案　不是，热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。 (2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？ 答案　不能，热机工作时只能将从高温热库吸收的热量的一部分用来做功，剩余的部分能量释放到低温热库。 　(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，热机效率可以达到100% 例2 √ √ 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选项正确，B选项错误； 热传递过程也具有方向性，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选项正确； 热机效率无法达到100%，D项错误。 　(多选)(2023·广州市高二月考)如图所示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 例3 √ √ 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而不引起其他变 化，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，故C错误。 (1)一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循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。 总结提升 三 热力学第一定律和热力学第二定律的比较 21 1.热力学两定律的比较   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 2.两类永动机的比较   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(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化) 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 　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 一热库吸收热量完全变成功也是可能的 例4 √ 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＝W＋Q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。 　(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 例5 B C 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。 四 课时对点练 考点一　对热力学第二定律的理解 1.(多选)关于热力学第二定律，下列说法中正确的是 A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真实发生 B.气体的膨胀是不可逆的 C.电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 D.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 能而不引起其他变化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 基础对点练 √ √ 热运动的宏观过程会有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不能都真实发生，根据热力学第二定律，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，所以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换成机械能而不引起其他变化，故A错误，D正确。 气体向真空的自由膨胀是不可逆的，但可以通过产生其他影响使膨胀可逆，故B错误。 电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递，但要引起其他变化，故C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2.把水和酒精混合后，用蒸发的方式又可以分开，然后液化恢复到原来的状态，这说明 A.扩散现象没有方向 B.将水和酒精分开时，引起了其他变化，故扩散具有方向性 C.将水和酒精分开时，并没有引起化学变化，故扩散现象没有方向性 D.用本题的实验，无法说明扩散现象是否具有方向性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 由题意可知，两者混合时是自动发生的，但两者分离时，要先加热后冷却，也就是说，向分离与向混合这两个方向的发展是可以通过过程是否自动完成、是否需要外加其他手段才能完成来区分的，因此，可以证明扩散是有方向性的，B正确，A、C、D错误。 3.(2022·梅州市高二月考)热力学第二定律常见的表述方式有两种：一是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；二是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。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，你认为下列示意图中正确的是 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 第二种表述的意思是：热机吸收热量，对外做功，同时把热量传给低温物体，故选B。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4.(2022·新疆乌鲁木齐市第八中学高二期末)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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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，故选B。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 考点二　热力学第一定律和热力学第二定律的比较 5.(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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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。 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.热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现 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” 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ √ 一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，有Q＝0，W<0，根据ΔU＝W＋Q可知，气体的内能减少，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； 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，故C正确； 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7.如图所示，气缸内盛有一定质量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触处是光滑的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接并缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是 A.气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程 违反热力学第二定律 B.气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学 第二定律 C.气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D.以上三种说法都不对 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 由于气缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外 界连接并使活塞缓慢地向右移动过程中，有足够时 间进行传热，气缸内的气体温度不变，即内能不变。 该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功并保证内能不变，但此过程并不违反热力学第二定律，这是因为此过程需要外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能自发进行，故选项C正确。 8.(2022·江苏苏州市高二期末)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 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。根据能量守恒定律和热力学第二定律， 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，故选B。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9.(多选)(2022·湖南卷改编)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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 依题意，中心部位为热运动速率较低的气体，与 挡板作用后反弹，从A端流出，而边缘部位为热 运动速率较高的气体，从B端流出；同种气体分 子平均热运动速率较大，其对应的温度也就较高，所以A端为冷端，B端为热端，故A正确。 依题意，A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，所以从A端流出的气体分子热运动平均速率小于从B端流出的，从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能；内能的多少还与分子数有关，依题意，不能得出从A端流出的气体内能一定大于从B端流出的气体内能，故B正确，C错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 该装置将冷热不均的气体进行分离，喷嘴处 有高压，即通过外界做功而实现的，并不是 自发进行的，没有违背热力学第二定律；温 度较低的从A端流出、较高的从B端流出，也符合能量守恒定律，故D错误。 10.(多选)(2022·山西朔州高二期末)如图是空气能热水器的工作原理示意图，它主要由储水箱、毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器等部件组成。制冷剂在毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器之间循环过程与我们所熟悉的电冰箱的制冷循环过程相同，其工作过程如下： ①液态制冷剂经过一段很细的毛细管缓慢地 进入蒸发器，在蒸发器中迅速汽化，并从低 温的空气中吸收热量。 ②制冷剂汽化生成的蒸汽被压缩机压缩后变 成高温高压的蒸汽进入冷凝器。 ③在冷凝器中，高温高压的蒸汽将热量传递给水并发生液化。制冷剂以此不断循环流动，使水的温度不断上升。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 尖子生选练 下列说法正确的是 A.空气能热水器实现了“热量由低温 物体(空气)传向高温物体(水)” B.空气能热水器中的水被加热是由电 直接加热的 C.空气能热水器的工作原理不违反热力学第一定律 D.空气能热水器的制热系统能够不断地把空气的内能传给水，是因为其 消耗了电能 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ 空气能热水器工作时将外界低温 空气中的内能收集起来然后通过 压缩机再传给里面温度较高的水， 使水的温度升高，故A、D正确， B错误； 空气能热水器在工作时遵守热力学第一定律，故C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 $$