第3章 3.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（教科版2019）

第三章　热力学定律 3．热力学第二定律 [核心素养定位]　1.了解一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性。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。 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 1．自然界中宏观过程的方向性 (1)一切与热现象有关的宏观自然过程都具有_______性，其相反的过程是__________自发产生的。 (2)能够揭示宏观自然过程的方向性规律的是_________________。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不可能自发地从_______物体传递到_______物体。 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，使之全部变成功，而不产生其他影响。 方向 不可能 热力学第二定律 低温 高温 课前自主学习 5 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。(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)√ 课前自主学习 6 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 7 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 9 活动1：如图甲，热水不断向外传递热量，直到与环境温度一致为止，根据能量守恒定律，也可以使环境温度降低，将热量传给热水，使热水重新沸腾，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？ 提示：没有。热量总是从高温物体传向低温物体，而不能自发地从低温物体传向高温物体。 课堂探究评价 10 活动2：墨水在清水中扩散后不能自发地回到初始状态，钢瓶中的高压气体喷出后不能自发地进入钢瓶，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？ 提示：一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，其相反的过程是不可能自发产生的。 课堂探究评价 11 活动3：能够揭示宏观自然过程方向性规律的是热力学第 二定律，德国物理学家克劳修斯根据热传递过程的方向性提出 了热力学第二定律的一种表述：热量不可能自发地从低温物体 传递到高温物体。夏天空调制冷时，热量能够从温度较低的室 内传递到温度较高的室外，如图乙所示。这个过程是否违背了热力学第二定律的克劳修斯表述？我们应如何理解定律中“自发”二字的含义？ 提示：事实上，空调制冷必须依靠压缩机做功。一旦切断电源，压缩机停止做功，空调制冷立即中止。如果切断电源，制冷过程仍能进行，这样的过程才是“自发”的过程。显然，空调制冷并不满足“自发”这个条件，它没有违背热力学第二定律。 课堂探究评价 12 活动4：四冲程内燃机的每个循环过程都包括吸气、压 缩、做功、排气四个冲程，每辆汽车都有排气管，在排气冲 程中排出热的废气，带走了一部分的热量，如图丙所示。即 使是一个不计摩擦、不会漏气、没有热量损失的理想热机， 其工作物质从高温热源吸收热量Q1，排出废气时也会向低 温热源放出一部分热量Q2，其工作效率可以达到100%吗？能得出什么结论？ 课堂探究评价 13 1．自然界中宏观过程的方向性 一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，其相反的过程是不可能自发产生的。 示例： (1)热传递具有方向性。 (2)扩散现象具有方向性。 (3)气体的自由膨胀过程具有方向性。 (4)机械能和内能之间的转化具有方向性。 课堂探究评价 14 2．热力学第二定律 (1)实质：揭示宏观自然过程方向性的规律。 (2)表述 ①克劳修斯表述(热传递过程方向性的角度)：热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体。 ②开尔文表述(功热转化方向性的角度)：不可能从单一热源吸收热量，使之全部变成功，而不产生其他影响。 说明：a.热力学第二定律的表述并非只有上述两种形式，对任何一种宏观自然过程方向性的说明，都可作为热力学第二定律的表述。 b．研究表明，热力学第二定律的各种表述都是等价的，并可从一种表述导出另一种表述。 课堂探究评价 15 3．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“单一热源”“不产生其他影响”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。实际上热量可以从低温物体传递到高温物体，但一定需要第三方的介入。 (2)“单一热源”：指温度均匀并且恒定不变的系统。 (3)“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。 课堂探究评价 16 4．热力学第一、第二定律的比较 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，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宏观自然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 注：第二类永动机，只从单一热源吸收热量，使之全部变成功，而不产生其他影响的热机。 课堂探究评价 17 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程度更大的方向发展。 (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。 课堂探究评价 18 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．在热传递中，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 19 (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 20 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源吸热，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 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“不产生其他影响”。 (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 [变式训练]　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．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，而不产生其他影响 课堂探究评价 23 解析　热力学第二定律揭示了与热现象有关的宏观自然过程的方向性。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；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，但要从低温物体传递到高温物体，必然产生其他影响，故C错误，D正确。 课堂探究评价 24 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．不可能从单一热源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　可以从单一热源吸收热量，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．(对热力学第二定律的理解)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　) A．热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律 B．热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律 C．热力学第二定律是物理学家从理论推导得出来的结果 D．热力学第二定律没有理论和实验的依据，因此没有实际意义 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　热力学第二定律是物理学家通过对大量自然现象的分析，又总结了生产和生活经验得到的结论，是一个经验定律，它并不能通过理论和实验来证明，但符合客观事实，因此是正确的；它揭示了热现象宏观自然过程的方向性，使人们认识到第二类永动机不可能制成，对我们认识自然和利用自然有着重要的指导意义，故B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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 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，由于压缩机做功，且压缩机所做的功会以热量的形式向外界空气释放，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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 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，会发生热传递，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，会发生热传递，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 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 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 7.(热力学第一定律和热力学第二定律的比较)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，故这两条定律并不矛盾 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析　热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和其他形式的能发生转化时的方向性，两者并不矛盾，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 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 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，还通过热传递、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 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 提示：其工作物质从高温热源吸收热量Q1，排出废气时向低温热源放出热量Q2，其对外做功W＝Q1－Q2<Q1，热机的效率η＝eq \f(W,Q1)<100%。因此，热机的效率不可能达到100%。说明热机用于做功的热量一定小于它吸收的热量。 $$