第3章 3&4 能量守恒定律&热力学第二定律(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

3　能量守恒定律

4　热力学第二定律

[学业要求]

1．了解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。

2．知道第一类永动机是不可能制成的。

3．知道传热的方向性及任何热现象的宏观过程都是不可逆的。

4．了解热力学第二定律，运用热力学第二定律解决一些实际问题。

5．认识能源和环境与人类生存的关系。

一、能量守恒定律

1．内容

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式__转化__为其他形式，或者从一个物体__转移__到别的物体，在转化或转移的过程中能量的总量__保持不变__。

2．意义

(1)各种形式的能可以__相互转化__。

(2)各种物理现象可以用__能量守恒定律__联系在一起。

二、永动机不可能制成

　永动机的思想违背了能量守恒，所以是不可能制成的。

三、热力学第二定律

1．热传导的方向性

一切与热现象有关的宏观自然过程都是__不可逆的__。

2．热力学第二定律的克劳修斯表述

德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从__低温__物体传到__高温__物体。热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的__方向性__。

四、热力学第二定律的开尔文表述

1．开尔文表述

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。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)

2．意义：开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。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。

五、能源是有限的

　能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能的品质下降了，虽然能量总量不会减

少，但有些能量变成了不可再用的能量。能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的

B．热量不会从低温物体传给高温物体

C．机械能可以完全转化为内能

D．内能不可能完全转化为机械能

答案　AC

2．热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明热传递过程具有__方向性__。冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这__不违反__(选填“违反”或“不违反”)热力学第二定律。

探究点一　能量守恒定律的理解和应用

1．能量的存在形式及相互转化

(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。

(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。

2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的

例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。

3．第一类永动机失败的原因分析

如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，这在无外界能量供给的情况下是不可能的。

　质量为1 000 kg的气锤从2.5 m高处落下，打在质量为200 kg的铁块上，设气锤撞击铁块时做的功有60%用来升高铁块的温度，那么要使铁块的温度升高40 ℃以上，气锤至少应落下多少次？[g取10 m/s2，铁的比热容c＝0.11 cal/(g·℃)]

[思路点拨]　本题是一道力热综合题。气锤对铁块做的功，等于气锤的动能减少量，且有60%转化为铁块的内能，用来升高温度。由能的转化和守恒定律，先求气锤下落一次对铁块做功使铁块温度升高的值，再由使铁块升高40 ℃气锤所做的总功，就可求出气锤的下落次数。

[解析]　由机械能守恒得气锤下落到刚撞击铁块时刻的动能Ek＝mgh＝103×10×2.5 J＝2.5×104 J，由动能定理，得气锤撞击铁块一次所做的功W＝Ek－0＝2.5×104 J，使铁块温度升高40 ℃所需的热量Q＝cmΔt＝0.11×200×103×40 cal＝8.8×105 cal＝8.8×105×4.2 J＝3.696×106 J。设气锤应下落n次，才能使铁块温度升高40 ℃，则由能的转化和守恒定律得n·Wη＝Q，所以n＝＝＝246.4，故气锤至少应下落247次。

[答案]　247次

 

 

1．如图所示，上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门，开始阀门关闭，两管中的水面高度差为h，现将阀门打开，最终两管水面相平，则这一过程中(　　)

A．大气压做正功，重力做负功，水的内能不变

B．大气压不做功，重力做正功，水的内能增大

C．大气压不做功，重力做负功，水的内能增大

D．大气压做负功，重力做正功，水的内能不变

解析　由于两管粗细相同，作用在液体上的大气压力的合力为零，故大气压力不做功；水流动过程中重心下降，重力做正功，水的重力势能减少，减少的重力势能最终转化为内能，故水的内能增大，选项B对，A、C、D错。

答案　B

探究点二　对热力学第二定律的两种理解

1．自然过程的方向性

(1)热传导具有方向性

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，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。