第三章 第三节 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（粤教版）

第三节　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不同表述,以及两种表述的物理实质。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。 课时作业 巩固提升 要点1　热现象的方向性 要点2　热力学第二定律 内容索引 要点1　热现象的方向性 一 4 梳理 必备知识 自主学习 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。  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 [思考与讨论] 制冷机是使热量从低温物体传到高温物体的装置,通过制冷机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。夏天,将房间内一台正在工作的电冰箱的门打开,试分析这是否可以降低室内的平均温度?为什么? 提示:不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开,尽管可以不断向室内释放冷气,但同时冰箱的箱体向室内散热,就整个房间来说,由于外界通过导线不断有能量输入,室内的平均温度会不断升高。 [例1]　(2024·广东珠海高二期末)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 归纳 关键能力 合作探究 C [解析]　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,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。 名师点评 一切物理过程均遵守能量守恒定律,但遵守能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。 [针对训练]　1.下列哪个过程具有方向性(　　) 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 A.①②　　　　　　　　　 B.②③ C.①②③ D.①②③④ D 解析:这四个过程都是与热现象有关的宏观过程,它们都是不可逆的,具有方向性。 二 要点2　热力学第二定律 14 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)  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过程的方向性)  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。  梳理 必备知识 自主学习 自发地　 不引起其他变化 全部用来做功 等价 [思考与讨论] (1)热传递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”? (2)机械能与内能转化的方向性是否可以理解为“机械能可以全部转化为内能,而内能不能全部转化为机械能”? 提示:(1)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,但这不是自发进行的,需要消耗电能。 (2)不能。内能无法全部转化为机械能而不产生其他影响,产生其他影响指的是对周围环境产生热力学方面的影响。在有外界影响的情况下,可以实现内能全部转化为机械能。 1.两定律的比较 归纳 关键能力 合作探究   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,从而否定了第一类永动机 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具有不可逆性的经验总结,从而否定了第二类永动机 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 (1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料却可以不断做功,违背了能量守恒定律。 (2)第二类永动机:将内能全部转化为机械能,热效率为100%的热机,不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律。 [例2]　(多选)(2024·广州高二月考)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 BD [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,C错误。 名师点评 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。 [针对训练]　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有用功,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有用功,而不引起其他变化的热机是可以实现的 C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中,而不引起其他变化 D.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 AD 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,选项A正确,B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),选项C错误,D正确。 3.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.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转化的规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别 D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律 B 解析:热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现,而热力学第二定律则指出内能和其他形式的能发生转化的方向性,两者表述的角度不同,本质不同,并不矛盾,选项A、C、D错误,B正确。 三 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 [A组　基础巩固练] 1.下列说法正确的是(　　) A.物体放出热量,温度一定降低 B.物体内能增加,温度一定升高 C.热量能自发地从低温物体传给高温物体 D.热量能自发地从高温物体传给低温物体 D 11 解析:物体放出热量,有可能同时外界对物体做功,温度不一定降低,A错误;物体内能增加,可能是分子势能增加,分子动能可能不变,物体温度不一定升高,B错误;热量能自发地从高温物体传给低温物体,不能自发地从低温物体传给高温物体,C错误,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 2.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,使这个物体运动起来,其原因是(　　) A.违反了能量守恒定律 B.在任何条件下内能不可能转化为机械能,只有机械能能转化为内能 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 1 C 11 解析:机械能和内能的相互转化,必须通过做功来实现。机械能可以自发地转化为内能,但内能不能自发地转化为机械能。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 3.(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,这说明了(　　) 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 1 BD 11 解析:一切自发过程都有方向性,如热传递,热量总是由高温物体自发地传向低温物体;又如扩散,气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散,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传向高温物体的。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 4.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其他形式 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 1 D 11 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,但如果不是自发地,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的变化,是可能的,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 5.随着世界经济的快速发展,能源短缺问题日显突出,能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一。下列有关能量转化的说法正确的是(　　) A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化 B.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能 C.满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行 D.外界对物体做功,物体的内能必然增加 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 A 11 解析:由热力学第二定律的开尔文表述可知A正确;热机效率总低于100%,B错误;满足能量守恒定律的过程未必能自发进行,任何过程一定都满足热力学第二定律,C错误;由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,W>0,ΔU不一定大于0,即内能不一定增加,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 6.(2024·梅州高二月考)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(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 11 解析: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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 7.下列说法正确的是(　　) A.因为能量守恒,所以能源危机是不可能的 B.摩擦力做功的过程,必定有机械能转化为内能 C.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 D.第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 11 解析:能量虽然是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,故一定要注意节约能源,防止能源危机,故A错误;一对滑动摩擦力做功,两物体之间存在相对运动时,系统机械能转化为内能,如果没有相对运动,即一对静摩擦力做功,系统机械能没有转化为内能,故B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,故C正确;第二类永动机是指只需从单一热源吸收热量便能永远对外做功的动力机械,虽然不违反能量守恒定律,但是违反了热力学第二定律,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 [B组　综合强化练] 8.(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功 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 BCD 11 解析:理想气体在绝热条件下压缩,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,即ΔU>0,根据热力学第一定律有ΔU=Q1-Q2+W>0,即W>Q2-Q1,即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功,但必然会引起其他的一些变化,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 9.(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 1 ABD 11 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到低温物体上,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,通过做功和热传递来实现,方法很多,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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 [C组　培优选做练] 10.(多选)(2024·广东佛山高二期末)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。下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 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 答案:ACD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 解析: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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 11.有人估算使地球上的海水降低0.1 ℃,就能放出5.8×1024 J的热量,这相当于1 800个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。假定整个海洋都具有同一温度,你能设计一种只靠吸收海水的热量推动轮船航行,而不需要燃料的机器吗? 答案:见解析 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:这种靠吸收海水热量推动轮船航行的热机基本结 构如图所示。设大气温度为t2,海水温度为t1,在不同的 温差下,热机的工作情况不同。当t2≥t1时,热机无法从 海水中吸取热量对外做功,否则将需要一个用于放热的 更低温的热源。当t2<t1时,热机从海水中吸取的热量一部分变成推动轮船前进的动力功,一部分对大气放热,水面附近大气的温度升高,同时由于轮船(螺旋桨)克服水的阻力做的功也转化为内能,很快使热机的温度也升高,而此过程中海水温度下降,故很快达到热平衡,导致温差消失,热机不能再继续工作。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 $$