第3章 4 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（人教版）

4　热力学第二定律 第三章　热力学定律 [学习目标]　1.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)。2.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题(难点)。3.理解能量耗散,知道能源是有限的。 课时作业 巩固提升 要点1　热力学第二定律 要点2　热力学第一定律和热力学第二定律的比较 要点3　能源是有限的 内容索引 要点1　热力学第二定律 一 4 梳理 必备知识 自主学习 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有　　　性。  2.热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不能　　　地从　　温物体传到　　温物体。阐述的是传热的 　　　性。  不可逆 方向 自发 低 高 方向 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　　　,把自己的内能变成　　　　　。  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。  (2)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。  化学能 内能 做功 机械能 小于 < 完全变成功 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。  5.热力学第二定律的实质:揭示了宏观自然过程的　　　　。  等价 方向性 [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)不是。　(2)不能。 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循环时,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,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的宏观过程的方向性,进而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.热力学过程的方向性实例 (1)高温物体 低温物体。 (2)机械能 内能。 (3)气体体积V1 气体体积V2。 　　 (较小) 　　　　　　　　　(较大) (4)不同气体A和B 混合气体AB。 [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项错误。 [例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。 名师点评 对热力学第二定律理解的两点说明 1.理解热力学第二定律的关键在于“自发”和“不引起其他变化”。 2.热量可以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,只不过前者能自发地进行,后者必须借助外界的帮助;机械能可以全部转化为内能,而内能要全部转化为机械能肯定会引起其他变化。 [针对训练]　1.(多选)根据热力学第二定律可知,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,也能从低温物体传到高温物体 C.功可以全部变成热量,但热量不可能全部变成功 D.功可以全部变成热量,热量也可能全部变成功 BD 解析:根据热传递的规律可知,热量能够自发地从高温物体传到低温物体,当外界对系统做功时,可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体,制冷机(如冰箱)就是这样的装置,但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体,选项A错误,B正确;一个运动的物体,克服摩擦阻力做功,最终停止,在这个过程中功全部变成热量,外界条件发生变化时,热量也可以全部变成功,如在等温膨胀过程中,系统吸收的热量全部变成对外界做的功,选项C错误,D正确。 二 要点2　热力学第一定律和热力学第二定律的比较 22 1.两定律的比较   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 [例3]　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,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能 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 D [解析]　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。 [例4]　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 B C [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。 [针对训练]　2.关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确的是(　　) A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定律是相互矛盾的 B.内能可以全部转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故两条定律并不矛盾 C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别 D.能量守恒定律包含了热力学第一定律和热力学第二定律 B 解析:热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系,是能量守恒定律在热力学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性,二者表述的角度不同,本质不同,相互补充,并不矛盾,B正确,A、C、D错误。 三 要点3　能源是有限的 31 1.能源:具有　　　　的容易利用的储能物质。  2.能量耗散:使用的能源转化成内能分散在环境中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。  梳理 必备知识 自主学习 高品质 能源 [思考与讨论] (1)燃烧的煤炭将化学能转化为热能散失到周围的环境中,这一过程中能量是否守恒?燃烧时的化学能与散失到环境中的热能,哪一种能量容易被人们利用? (2)既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源? 提示:(1)守恒。燃烧时的化学能更容易被人们利用。 (2)能量被利用的过程中,总有一部分能量会以热能的形式散失到周围的环境中而不能被利用,所以我们要节约能源。 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。 归纳 关键能力 合作探究 [例5]　(多选)关于能量和能量耗散,下列说法正确的是(　　) A.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性 B.能量耗散表明能源的利用是有条件的,也是有代价的 C.能量的总量守恒,不会消失,所以没有必要节约能源 D.能量之间可以相互转化,故能源循环利用很方便 AB [解析]　能量守恒定律是普遍规律,能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发过程具有方向性,耗散过程中能量也是守恒的,故A正确;能量耗散表明能源的利用是有条件的,也是有代价的,如煤炭和石油燃烧会造成空气污染和温室效应,故B正确;能源不是能量,自然界总的能量是守恒的,但能源是有限的,需要节约能源,故C错误;能量之间可以相互转化,但是这种转化有方向性,耗散的能量很难再收集起来重新利用,故D错误。 [针对训练]　3. 关于能量和能源,下列说法中正确的是(　　) A.能量在转化和转移过程中,其总量有可能增加 B.能量在转化和转移过程中,其总量会不断减少 C.能量在转化和转移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 D 解析:能量在转化和转移过程中总量保持不变,但能量的转化和转移具有方向性,耗散的能量难以收集再利用,且现有可利用的能源有限,所以我们要注意节约能源,A、B、C错误,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.(多选)下列说法中正确的是(　　) A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可以实现的 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 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:由热力学第二定律的物理意义知,A、C正确,D错误;不违背能量守恒定律的物理过程,如果违背热力学第二定律,也是无法实现的,B错误。 2.(多选)关于热力学第二定律,下列说法正确的是(　 　) A.热量能够自发地从高温物体传到低温物体 B.不可能使热量从低温物体传向高温物体 C.从单一热库吸收热量,可以使之完全变成功 D.气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 ACD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:根据热力学第二定律知,热量能够自发地从高温物体传到低温物体,故A正确;在外界的影响下,能使热量从低温物体传向高温物体,如空调制冷时,故B错误;根据热力学第二定律: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,可知在外界的作用下,从单一热库吸收热量,可以使之完全变成功,故C正确;所有涉及热现象的宏观过程都有方向性,则知气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程,故D正确。 3.(2024·河北邢台名校联盟期中)下列有关热力学定律的说法正确的是(　　) A.热量可以自发地从低温物体传到高温物体 B.做功与热传递是改变内能的两种方式 C.黄河的水能是取之不尽,用之不竭的 D.内能可以全部转化成机械能而不产生其他影响 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:据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,故A错误;做功与热传递是改变内能的两种方式,故B正确;水能的使用过程存在能量耗散,不是取之不尽,用之不竭的,故C错误;据热力学第二定律可知,内能不可以全部转化成机械能而不产生其他影响,故D错误。 4.下列说法正确的是(　　) A.若两个系统之间达到热平衡,则它们的温度一定相等 B.一定质量的理想气体等压膨胀过程一定放热 C.能量的耗散会使自然界的能量不断减少 D.对内燃机不断改进,可以把内燃机得到的内能全部转化为机械能 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:若两个系统之间达到热平衡,则它们的温度一定相等,故A正确;一定质量的理想气体等压膨胀过程,根据=C可知气体温度升高,气体内能增大,由于气体体积增大,外界对气体做负功,根据热力学第一定律可知,气体从外界吸热,故B错误;自然界中能量是守恒的,故C错误;不管对内燃机如何改进,都不可能把内燃机得到的内能全部转化为机械能,故D错误。 5.(多选)(2024·河北承德期中)根据热力学定律,下列说法正确的是(　　) A.空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量小于向室外放出的热量 B.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机,将内能全部转化为机械能 C.导体在光滑水平U形导轨上做切割磁感线运动,最后停下来,是自发的,但金属棒不会自发地将内能转化为棒的动能使棒由静止运动起来 D.冰箱的使用说明热量可以自发地从低温物体传递到高温物体 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量小于向室外放出的热量,因为工作过程还有电热释放,故A正确;根据热力学第二定律可知,即使科技再进步,内燃机也不可能成为单一热源的热机,不可能将内能全部转化为机械能而不引起别的变化,故B错误;根据热力学第二定律可知,导体在光滑水平U形导轨上做切割磁感线运动,最后停下来,是自发的,但金属棒不会自发地将内能转化为棒的动能运动起来,故C正确;根据热力学第二定律可知,热量只能够自发从高温物体传到低温物体,但也可以通过热机做功实现从低温物体传递到高温物体,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,但不是自发进行的,故D错误。 6.(多选)(2024·浙江宁波慈溪中学月考)根据热力学定律,下列说法正确的是(　　) A.电冰箱的工作原理表明,热量可以从低温物体向高温物体传递 B.空调机在制冷过程中,将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外,这一过程不遵守热力学第二定律 C.科技的不断进步使得人类有可能生产出单一热库的热机 D.尽管科技不断进步,热机的效率总不能达到100% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 AD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析: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A正确;空调机在制冷过程中,空气压缩机做功消耗电能,制冷过程不是自发进行的,这一过程遵守热力学第二定律,故B错误;不可能从单一热库吸收热量全部用来对外做功而不引起其他变化,故C错误;根据热力学第二定律,即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失,热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能,即效率达不到100%,故D正确。 7.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.能量耗散说明能量在可利用的品质上降低了 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析: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,所以A、B、C错误,D正确。 8.下列说法正确的是(　　) A.第二类永动机不可能制成的原因是违背能量守恒定律 B.热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性 C.因为能量守恒,所以能源危机是不可能的 D.摩擦力做功的过程,必定有机械能转化为内能 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:第二类永动机不可能制造成功的原因是违背热力学第二定律,但不违背能量守恒定律,选项A错误;热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性,选项B正确;能量虽然守恒,但有些能量耗散以后就将不能再利用,故要节约能源,选项C错误;静摩擦力做功,没有机械能转化为内能,选项D错误。 [B组　综合强化练] 9.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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 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。 10.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 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:当阀门K被打开时,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。 [C组　培优选做练] 11.(多选)关于热现象,下列说法正确的是(　 　) A.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能是可能的 B.气体温度每升高1 K所吸收的热量与气体经历的过程有关 C.质量和温度都相同的气体,内能一定相同 D.自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 ABD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:根据热力学第二定律可知,热量可以自发地由高温物体传递给低温物体,可以利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,故A正确;根据热力学第一定律可知,ΔU=Q+W,气体温度升高,内能增加,可通过做功和热传递来实现,方法很多,所以气体温度每升高1 K所吸收的热量与气体经历的过程有关,故B正确;气体内能的决定因素为温度、体积和物质的量,故质量和温度相同的气体,体积和物质的量不一定相同,内能不一定相同,故C错误;根据热力学第二定律可知,宏观热现象具有方向性,即自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的,故D正确。 12.如图所示,汽缸内盛有一定质量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触处是光滑的,但不漏气。现将活塞杆缓慢地向右移动,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(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A.气体是从单一热库吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律 B.气体是从单一热库吸热,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.气体是从单一热库吸热,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 答案:C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:由于汽缸壁是导热的,外界温度不变,活塞杆缓慢地向右移动过程中,有足够时间进行传热,汽缸内的气体温度不变,即内能不变。该过程气体是从单一热库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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 $$