第3章 4.热力学第二定律-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案课件PPT（人教版2019）

第一章　分子动理论 4.热力学第二定律 1．了解一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，都是不可逆的。2.了解什么是热力学第二定律，了解热力学第二定律的两种表述，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、转移及宏观自然过程的方向性问题，了解能量耗散，知道能源是有限的。 2 目录 1 2 3 课前自主学习 课后课时作业 课堂探究评价 课前自主学习 一　热力学第二定律 1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是_________的。 2．热力学第二定律：在物理学中，反映___________过程的方向性的定律。 3．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从_________物体传到_________物体。即阐述的是传热的_________ 。 4．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，使之完全变成_______，而__________________。即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。 5．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是_________的。 不可逆 宏观自然 低温 高温 方向性 功 不产生其他影响 等价 课前自主学习 5 二　能源是有限的 1．能量耗散：机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能……最终都转化成_________，流散到周围环境中，无法重新自动聚集起来加以利用的现象。 2．能源：是指具有_________的___________的储能物质。 3．能源的使用过程中虽然能量的总量保持守恒，但能量的_________下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会___________，因此能源是_________的资源。 内能 高品质 容易利用 品质 逐步减少 有限 课前自主学习 6 1．判一判 (1)满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行。(　　) (2)海水温度自动下降时释放的内能可以全部转化为机械能。(　　) (3)能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。(　　) (4)根据能量守恒定律，能源应该是取之不尽，用之不竭的。(　　) 提示：(1)×　(2)× 　(3)√ 　(4)×　 课前自主学习 7 2．想一想 夏天打开空调后，虽然房间的温度比室外低，但空调还是向室外放热，这违背热力学第二定律吗？ 提示：不违背，空调虽然将热量从温度低的室内传到温度高的室外，但同时消耗了电能。 课前自主学习 8 课堂探究评价 探究 热力学第二定律 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 课堂探究评价 10 活动1：如图甲，高温的炉火将包子蒸熟。根据能量守恒定律，也可以使冷水降温，将热量传给包子来蒸熟包子，这样的情况你见过吗？观察日常生活中类似现象，你能总结出什么？ 活动2：如图乙，电冰箱通电压缩机工作时，温度低的冰箱内部向周围空气散热，断电后空气又向冰箱传热直至冰箱内外温度相同，这说明了什么？结合活动1的结论有什么认识？ 提示：没有。热量只会自发地从高温物体传到低温物体，而不能自发地从低温物体传到高温物体。 提示：给冰箱通电，可以使热量从低温物体传向高温物体，断电后热量从高温物体传向低温物体。热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 课堂探究评价 11 活动3：钢瓶中的高压气体喷出后不能自发地进入钢瓶，墨水在清水中扩散后不能自发地回到初始状态，热量自发地从高温物体传向低温物体，因摩擦而停止滚动的足球不能从周围吸热而重新滚动，这些现象说明了什么？ 活动4：汽油机、柴油机等热机汽缸中的气体每经过一个工作循环，其压强和体积都回到初始状态，如图丙中的A状态。计算表明，若汽缸中为理想气体，消除一切热损失，图丙箭头所示的循环(两个等温过程和两个绝热过程)热机效率最高。因为永远有T1>T2，所以吸收的热量Qab只有一部分用来做功W(图中的阴影面积)，另一部分以热量Qcd形式排出，这说明了什么？ 提示：与热现象有关的宏观自然过程都有特定的方向，不可逆。 提示：说明热机用于做功的热量一定小于它吸收的热量(燃料产生的热量)，即W＜Qab。 课堂探究评价 12 活动5：取暖照明、车船行驶等过程，电能、光能、化学能、机械能等最终转化为内能，流散到周围环境中，对此关于能源有什么认识？ 提示：能源的能量最终转化为内能而流散到环境中，很难再利用，所以能源会越来越少，需要开发新能源，也需要节约能源。 课堂探究评价 13 1．热力学第二定律的理解 (1)热力学第二定律的克劳修斯表述阐述了传热的方向性。其含义是①热量从高温物体传递到低温物体是一个自发过程，不需要任何第三者的介入，不会对任何第三者产生任何影响。“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助。如：重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它们不受外界干扰，这就是自发的过程。②热量也可以由低温物体传到高温物体，但这一定不是一个自发过程，这个过程必须有第三者的介入。 课堂探究评价 14 (2)热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：通过做功，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产生其他影响。 (3)热力学第二定律的实质：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。 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，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。 课堂探究评价 15 2．应用热力学第二定律时要注意的几个问题 (1)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，则构成系统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。 (2)其他影响：指除了从单一热库吸收热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。不是不能从单一热库吸收热量而全部用来对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动传热是不可能的。 课堂探究评价 16 (3)关于“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，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。 (4)两种表述是等价的 如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。 课堂探究评价 17 3．第二类永动机 (1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化的热机。 (2)第二类永动机不可能制成：第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律。 4．能量耗散 (1)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。 (2)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。 课堂探究评价 18 5．热力学第二定律的微观解释 (1)从微观角度看，热力学第二定律实质是一个统计规律：一切自发的宏观过程总是向分子热运动无序度更大的方向发展。 (2)表示无序程度的物理量是熵，熵值较大代表着较为无序，因此热力学第二定律也可以这样表述：一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。 (3)利用热力学第二定律的微观解释，很容易解释这些规律：传热的方向性、物质扩散的方向性、气体的真空自由膨胀、机械能与内能转化的方向性。 课堂探究评价 19 例(多选)根据热力学第二定律，下列说法正确的是(　　) A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 B．电能不可能全部转变成内能 C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能 D．在传热中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体 课堂探究评价 20 [实践探究](1)热力学第二定律揭示了什么？ (2)宏观过程在会引起其他变化的情况下可以逆向进行吗？ 提示：热力学第二定律揭示了一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性。 提示：可以。 课堂探究评价 21 规范解答　热力学第二定律指明了一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，根据热机工作原理，热机工作时从高温热库吸热，一部分对外做功，一部分产生热量排出，热机的机械效率总小于100%，故A正确。火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确。热量从低温物体传递到高温物体不能自发地进行，会带来其他影响，这正是热力学第二定律克劳修斯表述的主要思想，故D正确。由电流热效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能，故B错误。 课堂探究评价 22 对热力学第二定律的进一步理解 (1)理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性。理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”。 (2)还要正确理解哪些过程在不产生其他影响时不会达到100%的转化。 课堂探究评价 23 [变式训练1]　根据热力学第二定律，下列说法中正确的是(　　) A．将地球上所有海水的温度降低0.2 ℃，以放出大量的内能供人类使用 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．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 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界的帮助，因而引起其他变化，故A、B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，但要从低温物体传递到高温物体，必然引起其他变化，故C错误，D正确。 课堂探究评价 24 [变式训练2]　(多选)下列现象属于能量耗散的有(　　) A．汽车尾气排放使市区温度升高 B．锂电池充电将电能转化为化学能 C．冰雹下落将重力势能转化为动能 D．冰雹下落最终静止在地面上 解析　汽车尾气排放使市区温度升高，汽油的化学能转化为内能流散在大气中，是能量耗散，A正确；锂电池充电过程存在能量耗散，但将电能转化为化学能这个过程不属于能量耗散，B错误；冰雹下落过程存在能量耗散，但将重力势能转化为动能这个过程不属于能量耗散，C错误；冰雹下落最终静止在地面上，该过程中机械能转化为内能流散在大气中，属于能量耗散，D正确。 课堂探究评价 25 课后课时作业 1．(对热力学第二定律的理解)热力学第二定律表明(　　) A．不可能从单一热库吸收热量使之全部变为有用的功 B．摩擦生热的过程是不可逆的 C．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行 D．热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　可以从单一热库吸收热量，使之全部变为有用的功，但是会引起其他的变化，故A错误；根据热力学第二定律可知，机械能转化为内能的过程具有方向性，是不可逆过程，故B正确；涉及热现象的宏观物理过程具有一定的方向性，例如功可以完全自发地变成热，而热不能自发地全部变成功，故C错误；热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体，若有外界做功的话，可以从低温物体传递到高温物体，比如冰箱，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 2．(综合)(多选)下列说法中正确的是(　　) A．第一类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律 B．第一类永动机不可能制成是因为它违反了热力学第二定律 C．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的 D．热力学第二定律的两种表述是等效的 解析　第一类永动机是想“创生”能量，违反了能量守恒定律，A正确，B错误。热力学第一定律是能量守恒定律在内能与其他形式能转换时的具体表达，热力学第二定律指出自然界中与热现象有关的宏观过程都具有方向性，它们分别从不同侧面揭示了热现象的本质，是相互独立的；热力学第二定律的两种表述是等效的，故C、D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 3．(热力学第二定律的微观解释)如图所示是扩散过程示意图，白球表示酒精分子，黑球表示水分子，在两容器连接的板上开一个小孔后，酒精与水逐渐混合，直到形成均匀的酒精溶液为止。这个过程中整个系统的无序程度(　　) A．不变 B．变大 C．变小 D．无法判断 解析　由图可知，开始时，酒精分子与水分子分别分布在左、右两个容器中，有序程度最大，随着扩散的进行，进入左侧容器的水分子和进入右侧容器的酒精分子越来越多，系统的有序程度减小，最终两者的分子均匀分布在两个容器中时，系统的有序程度最低，因此在这个过程中整个系统的无序程度变大，故A、C、D错误，B正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 4．(热力学第二定律的应用)(多选)下列说法中正确的是(　　) A．满足能量守恒定律的客观过程并不是都可以自发地进行的 B．一切宏观热力学过程都具有方向性 C．制冷系统将冰箱内温度较低的食品的热量传给外界较高温度的空气，这违反了“热量只能从温度较高的物体传到温度较低的物体”的规律 D．电冰箱从箱内温度较低的食品吸收的热量等于冰箱向外界空气释放的热量 解析　由热力学第二定律知，A、B正确；热量只能自发地从高温物体传向低温物体，但在满足了一定条件后，热量也能够从低温物体传向高温物体——非自发性的传导，C错误；在电冰箱制冷过程中，由于做功效率无法达到100%，所以电冰箱从箱内低温食品吸收的热量小于冰箱向外界释放的热量，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 5．(对热力学第二定律的理解)(多选)下列过程中不可逆的是(　　) A．锤子打铁，铁发热 B．热量从高温物体传递到低温物体 C．在一绝热容器内，不同温度的液体混合 D．在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合 解析　功变热是不可逆过程，故A符合题意。若可以引起其他影响，热量可以从低温物体传递到高温物体，例如工作的空调、冰箱，会消耗电能，故B不符合题意。在一绝热容器中，不同温度的液体混合，会发生传热，直到液体温度相同，是不可逆过程，故C符合题意。在一绝热容器中，不同温度的氦气进行混合，会发生传热，直到氦气温度相同，也是不可逆的，故D符合题意。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　根据热力学第二定律，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，但通过一些手段在会引起其他变化的情况下是可以实现的，故C正确；内能转化为机械能不可能自发全额进行，要使内能全部转化为机械能必定要产生其他影响，故A错误；气体膨胀具有方向性，不可逆，故B错误；扩散现象也有方向性，不可逆，故D错误。 6．(热力学第二定律的应用)下列过程中，可能发生的是(　　) A．某工作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，其内气体自发溢出后又自发回到容器中，恢复原状 C．利用一些手段，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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 7．(能量耗散)热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　) A．能量耗散说明能量不守恒 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仍守恒，只是能量的转化有方向性 D．待科技发达到一定程度时可消除能量耗散现象 解析　能量耗散仍遵守能量守恒定律，反映了自然界宏观过程具有方向性，无法消除，应选C。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 8．(热力学第二定律的应用)(多选)下列现象中能够发生的是(　　) A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热 B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能 C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．空调通电后把房间内低温物体的热量传到室外高温物体 解析　一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热，蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，违背热力学第二定律，故不能发生，A、B错误；泥水分离是由于重力作用，能够发生，C正确；由热力学第二定律可知，空调可以通过消耗电能的方式，实现把房间内低温物体的热量传到室外高温物体，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 9．(综合)(多选)用两种不同材料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 象的正确说法是(　　) A．这一实验不违背热力学第二定律 B．在实验过程中，热水温度降低，冷水温度升高 C．在实验过程中，热水的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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律，本实验现象也不违反热力学第二定律，A正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还通过传热、电流的热效应使金属丝及冷水的温度升高，热水的温度降低，所以内能没有全部转化为电能，电能除转化为冷水的内能外，还有部分转化成了金属丝的内能，B正确，C、D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 10．(综合)下列说法正确的是(　　) A．制作一个装置从海水中吸收热量并全部用来做功是可行的 B．可发明一种制冷设备，使温度降至绝对零度 C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，可想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝 D．空间站气闸舱散逸到太空的空气无法自动回到气闸舱重复利用 解析　根据热力学第二定律知，不可能将内能全部转化为机械能而不产生其他影响，A错误；温度不能无限降低，绝对零度不可能达到，B错误；扩散现象具有方向性，逆过程不可能自发进行，C错误；根据热力学第二定律知，气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 11．(热力学第二定律的应用)(多选)下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是(　　) A．大米和小米混合后，小米能自发地填充到大米空隙中，而经过一段时间大米、小米不会自动分开 B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开 C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来 D．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100% 解析　热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，A不属于热现象，错误；由热力学第二定律可知B、C、D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 12．(热力学第二定律的微观解释)将一件裙子放进死海，3年后成了一件精美的艺术品(如图)。其形成原因是，海水中的盐不断在衣服表面结晶。根据这一现象，下列说法不正确的是(　　) A．结晶过程看似是自发的，其实要受到环境的影响 B．结晶过程是无序向有序转变的过程 C．盐在溶解的过程中熵是增加的 D．这件艺术品被精心保存在充满惰性气体的密闭橱窗里，可视为孤立系统，经过很长时间后，该艺术品的熵可能减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　结晶过程是将海水分离成盐和纯水的过程，这个过程系统从无序变成有序，故B说法正确；结晶过程不是自发的，通常是由于水的蒸发或水温降低引起的，这个过程系统与外界存在能量交换，即受到环境的影响，故A说法正确；盐在水中溶解是扩散现象，是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，即熵增加，故C说法正确；孤立系统的熵永不减小，故D说法错误。本题选说法不正确的，故选D。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R $$