第3章 3 热力学第二定律-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（教科版）

3　热力学第二定律 第三章　热力学定律 [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表述,能运用热力学第二定律解释相关问题(重难点)。3.知道“第二类永动机”不可能实现的原因。 课时作业 巩固提升 要点1　自然界中宏观过程的方向性 要点2　热力学第二定律 要点3　热机与第二类永动机 内容索引 要点1　自然界中宏观过程的方向性 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.事例:冰块放到热水中,冰块融化,热水降温。 结论:　　　　具有方向性。  2.事例:红墨水滴入清水中向清水中扩散,但分散的红墨水不能自发地聚成红墨水滴;分离的氮气分子和氧气分子混合后能相互扩散,但不能自发地分开;气体可自发地膨胀到真空,但不能自发地压缩。 结论:　　　 　具有方向性。  热传递 扩散现象 3.事例:运动物体的动能能够全部转化为内能,而这些内能不能全部转化为动能使物体运动起来。 结论:　　　　　　　 　　　　　具有方向性。  机械能与内能之间的转化 [思考与讨论] 以下哪些现象能够发生、哪些不能发生? (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。 提示:(1)不可能。因为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递到高温物体,所以,这是不可能发生的现象。 (2)不可能。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汽缸而产生内能,另一方面由于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。 [典例1]　(多选)下列说法正确的是(　 　) A.热量能自发地从高温物体传给低温物体 B.热量不能从低温物体传递到高温物体 C.传热是有方向性的 D.气体向真空中膨胀的过程是有方向性的 归纳 关键能力 合作探究 ACD [解析]　如果是自发地进行,热量只能从高温物体传递到低温物体,但这并不是说热量不能从低温物体传递到高温物体,只是不能自发地进行,在外界条件的帮助下,热量也能从低温物体传递到高温物体,A、C正确,B错误;气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的,具有方向性的,D正确。 [针对训练] 1.我们绝不会看到一个放在水平地面上的物体靠降低温度可以把内能自发地转化为动能而运动起来。其原因是(　　) A.这违反了能量守恒定律 B.在任何条件下内能都不可能转化成机械能,只有机械能才会转化成内能 C.机械能和内能的转化过程具有方向性,内能转化成机械能是有条件的 D.以上说法均不正确 C 解析:此现象说明了机械能和内能之间转化的方向性,并不违反能量守恒定律,因此C正确,A、B、D错误。 二 要点2　热力学第二定律 13 1.克劳修斯表述:德国物理学家克劳修斯在1850年提出:热量不可能自发地从　　　　物体传递到　　　　物体。阐述的是　　　　的方向性。  2.开尔文表述:不可能从单一热源吸收热量,使之　　　 　　　,而不产生其他影响。该表述阐述了　　　　　　　　　　的方向性。  梳理 必备知识 自主学习 低温 高温 热传递 全部变成功 机械能与内能转化 [思考与讨论] 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源传到高温热源吗? (2)热机工作时能否将从高温热源吸收的热量全部用于做功? 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)不能,热机工作时只能将从高温热源吸收热量的一部分用来做功,剩余的部分释放到低温热源。 1.在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不产生其他影响”“单一热源”“不可能”的含义 (1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性,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面的影响,如吸热、放热、做功等。 归纳 关键能力 合作探究 (3)“单一热源”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。 (4)“不可能”:实际上热机或制冷机系统循环终了时,除了从单一热源吸收热量对外做功,以及热量从低温热源传递到高温热源以外,过程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。 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。 [典例2]　(多选)根据热力学第二定律可知,下列说法中正确的是(　　) A.不可能从单一热源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,只有单一的热源,能将从单一热源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% AC [解析]　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;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选项正确;热机效率无法达到100%,D选项错误。 [针对训练] 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一定律 D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律 答案:BC 解析:热力学第一定律适用于所有的热学过程,C正确;由热力学第二定律可知,A、D错误,B正确。 三 要点3　热机与第二类永动机 25 1.热机的特点 (1)热机不仅仅只有一个热源。 (2)热机的效率不可能达到100%。 梳理 必备知识 自主学习 2.两类永动机的比较 分类 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不消耗任何能量,可以不断对外做功(或只给予很小的能量启动后,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(或只有一个热源,实现内能与机械能的转化) 不可能制 成的原因 违背了热力学第一定律 违背了热力学第二定律(不违反能量守恒守律) [思考与讨论] 汽车和轮船上用的汽油机、柴油机,火力发电厂和核电站用的蒸汽轮机等都是热机。如图所示为汽车的发动机,请思考并回答下列问题。 (1)热机的工作过程是怎样的? (2)热机工作时,汽缸(燃烧室)是它的高温热源,低温热源在哪里? (3)第二类永动机为什么不可能制成? 提示:(1)热机从高温热源吸收热量,推动活塞做功,然后向低温热源放出热量。 (2)汽车发动机工作时低温热源就是汽缸外界空间中的大气。 (3)热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性,如机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化,进一步揭示了任何宏观自然过程都具有方向性,告诫人们:第二类永动机不可能制成。 [典例3]　(多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是(　　) A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机 B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成 C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能 D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化 归纳 关键能力 合作探究 AD [解析]　根据第二类永动机的定义可知选项A正确;第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,所以选项B错误;机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时也可能全部转化为机械能,选项C错误,D正确。 [针对训练] 3.(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,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 BD 解析:这种机器从海水中吸热全部转变为功,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。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [A组　基础巩固练] 1.热力学定律表明自然界中进行的热现象的宏观过程(　　) A.有的只遵守热力学第一定律 B.有的只遵守热力学第二定律 C.有的既不遵守热力学第一定律,也不遵守热力学第二定律 D.所有的都遵守热力学第一、第二定律 13 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:热力学第一、第二定律是热力学的基本定律,对所有涉及热现象的宏观过程都成立,选项D正确。 2.(多选)下列说法正确的是(　　) A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B.一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行 D.一切物理过程都不可能自发地进行 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:热力学第二定律指出了热现象的方向性,A正确;不违反能量守恒定律但违反热力学第二定律的物理过程不可能实现,B错误;热力学第二定律反映宏观自然过程的方向性,C正确,D错误。 3.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.扩散现象没有方向性 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析: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。 4.(多选)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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 BD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析: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。 5.下列说法正确的是(　　) A.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加 B.第二类永动机虽然不违反能量守恒定律,但它是制造不出来的 C.电流所具有的电能不可能全部转化为内能 D.热量不可能从低温物体传到高温物体 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:由ΔU=W+Q可知,A项错误;第二类永动机违背了热力学第二定律,所以制造不出来,B项正确;电流通过纯电阻电路可使电能全部转化为内能,C项错误;在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体,D项错误。 6.如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q内为真空,整个系统与外界没有热交换,打开阀门后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则(　　) A.气体的体积膨胀,内能增加 B.气体分子势能减少,内能增加 C.气体分子势能增加,压强可能不变 D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:当阀门K被打开,P中气体进入Q中,由于Q中为真空,且系统与外界没有热交换,所以气体内能不变,选项A、B错误;气体体积增大,温度不变,压强减小,选项C错误;由热力学第二定律可知,Q中气体不可能自发地全部退回到P中,选项D正确。 7.(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” 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 AB 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析: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;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。 8.下列说法正确的是(　　) A.能量的耗散反映出自然界的宏观过程是没有方向性的 B.能量守恒表明,节约能源是无意义的 C.随着科技的发展,永动机是可以制成的 D.能量守恒定律是自然界遵守的普遍规律 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性,故A错误;热力学第二定律表明,能量虽然守恒,但可利用的品质降低了,所以需要节约能源,故B错误;永动机违背了热力学第一定律,是无法制造成功的,故C错误;能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一,也是自然界最普遍、最重要的基本规律之一,小到原子世界,大到宇宙天体,只要有能量的变化,无论是什么变化,都遵守能量守恒定律,故D正确。 [B组　综合强化练] 9.下列说法正确的是(　　) A.机械能全部变成内能是不可能的 B.第二类永动机不可能制造成功是因为能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,只能从一个物体转移到另一个物体,或从一种形式转化成另一种形式 C.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 D.从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:机械能可以全部转化为内能,故A错误;第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律,故B错误;热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但如果不是自发的,是可以进行的,故C错误;从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化,是不可能的,但如果是从单一热源吸收热量全部变为功的同时也引起了其他变化,是可能的,故D正确。 10.(多选)用两种不同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,正确的说法是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 A.这一实验过程不违反热力学第二定律 B.在实验过程中,热水一定降温,冷水一定升温 C.在实验过程中,热水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 答案:AB 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少,一部分转化为电能,一部分散失在环境中,转化效率低于100%,不违反热力学第二定律,热水温度降低,冷水温度升高,电流计导线也会消耗电能,故选项A、B正确,C、D错误。 11.(多选)以下热学过程允许存在的有(　 　) A.理想气体在绝热条件下被压缩且保持温度不变 B.理想气体在绝热条件下膨胀且保持温度不变 C.空调制冷设备从温度较低的室内吸收热量Q1,从压缩机获得机械能W,向温度较高的室外放热Q2,且有Q2>W D.理想气体从单一热源吸热全部转化为机械能 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 BCD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:理想气体在绝热条件下被压缩,有Q=0,W>0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,ΔU>0,温度不可能保持不变,故A错误;理想气体在绝热条件下,可以在真空中自由膨胀,此时Q=0,W=0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,ΔU=0,温度保持不变,故B正确;把室内、室外看成是一个系统,由于电流对压缩机做功,整个系统内能会增大,由能量守恒定律得Q2=Q1+W,则Q2>W,故C正确;根据热力学第二定律,理想气体可以从单一热源吸收热量并全部使之转化为机械能,但必然会引起其他变化,故D正确。 12.热力学第二定律常见的表述有以下两种: 第一种表述:热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体; 第二种表述: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。 图甲是根据热力学第二定律的第一种表述画出 的示意图,外界对制冷机做功,使热量从低温物 体传递到高温物体。请你根据第二种表述完成 示意图乙。根据你的理解,热力学第二定律的实 质是 　 。  2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 答案:如图所示　一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析:从低温物体向高温物体传递热量是通过制冷机完成的,需要外界对制冷机做功;反过来热量从高温物体传向低温物体,是伴随着热机对外界做功同时发生的。 [C组　培优选做练] 13.(多选)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(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 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 答案:AB 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 解析: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,而边缘部分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。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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 $$