3.3 热力学第二定律（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

热力学定律 第3节　热力学第二定律 第三章 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.知道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表述。 1.用热力学第二定律解释日常现象。 2．能利用热力学第二定律解释第二类永动机失败的原因。 　　经历第二类永动机的研究失败的过程，体会科学的严谨性。 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 一、自然界中宏观过程的方向性 1．事例：冰块放到热水中，冰块融化，热水降温。 结论：______具有方向性。 2．事例：红墨水滴入清水中向清水中扩散，但分散的红墨水不能自发地聚成红墨水滴；分离的氮气分子和氧气分子混合后能相互扩散，但不能自发地分开；气体可自发地膨胀到真空，但不能自发地压缩。 结论：________具有方向性。 3．事例：运动物体的动能能够全部转化为内能，而这些内能不能全部转化为动能使物体运动起来。 结论：______________________具有方向性。 必备知识 自主学习 热传递 扩散现象 机械能与内能之间的转化 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 二、热力学第二定律的表述 1．克劳修斯表述：热量不可能自发地从____物体传递到____物体。阐述的是______的方向性。 2．开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之__________，而不产生其他影响。该表述阐述了________________的方向性。 必备知识 自主学习 低温 高温 热传递 全部变成功 机械能与内能转化 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 滴入清水的墨水会自发地在清水中扩散，却不能自发地聚集成墨水滴，根据此类现象，请判断下列问题的对错。(对的画“√”，错的画“×”) 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 (1)气体向真空中膨胀的过程是有方向性的。(　　 　　) (2)自然界中的宏观自然过程都具有方向性不可逆。(　　　　) (3)热量不能从低温物体传到高温物体。(　　　　) (4)不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功。(　　　　) 必备知识 自主学习 √ × × × 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 　　 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [问题设计] 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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 1．热力学第二定律的分析 (1)“自发地”的含义 指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，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 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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 (3)“单一热源”的含义 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”的含义 实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热源吸收热量对外做功，以及热量从低温热源传到高温热源以外，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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 【例1】 已知飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此飞船将此设施专门做成了一个舱，叫“气闸舱”，其原理图如图所示，相通的舱A、B间装有阀门K，指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换，打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡，则(　　) A．气体体积膨胀，对外做功 B．气体分子势能减少，内能增加 C．体积变大，温度降低 D．B中气体不可能自发地全部退回到A中 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练1] 下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　　) A．随着科技的进步，所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生 B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的 C．机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响 D．气体向真空的自由膨胀是可逆的 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 汽车和轮船上用的汽油机、柴油机，火力发电厂和核电站用的蒸汽轮机等都是热机。如图所示为汽车的发动机。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [问题设计] (1)热机的工作过程是怎样的？ (2)热机工作时，汽缸(燃烧室)是它的高温热源，低温热源在哪里？ (3)第二类永动机为什么不可能制成？ 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 提示：(1)热机从高温热源吸收热量，推动活塞做功，然后向低温热源放出热量。 (2)汽车发动机工作时低温热源就是汽缸外界空间中的大气。 (3)热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了任何宏观自然过程都具有方向性，告诫人们：第二类永动机不可能制成。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 1．热机的特点 (1)热机不仅仅只有一个热源。 (2)热机的效率不可能达到100%。 2．第二类永动机不可能制成的原因 违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 3．第二类永动机不能制成的意义 (1)机械能可以全部转化成内能，但内能不能全部转化成机械能，而不产生其他影响。 (2)机械能和内能的转化具有方向性。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 4．两类永动机的比较 分类 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不消耗任何能量，可以不断对外做功(或只给予很小的能量启动后，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(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化) 不可能制成的原因 违背了热力学第一定律 违背了热力学第二定律 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 【例2】(2023·长沙期末)如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　) A．热水将热量传递给叶片，所以热水的温度会降低 B．由形状记忆合金自身提供了转轮转动的能量 C．转轮依靠自身惯性一直转动，不需要消耗外界能量 D．叶片在热水中吸收的热量等于在空气中释放的热量 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练2] 关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是(　　) A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律 B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律 C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能 D．由热力学第二定律可知从单一热源吸收热量，完全变成功是可能的 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 1．下列说法中，能够发生且不违背热力学第二定律的是(　　) A．一杯热茶自然放置，茶会自动变得更热 B.电冰箱正常工作时把箱内低温物体的热量传递到箱外高温物体 C.只要对蒸汽机不断革新，它就可以把蒸汽的内能全部转化成机械能 D．利用降低海水温度放出大量的热量来发电，从而解决能源短缺的问题 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 2．下列关于能量转换过程的叙述，不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律的有(　　) 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 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 3．关于永动机、热力学定律和能量守恒定律的讨论，下列叙述正确的是(　　) A．第二类永动机违反了能量守恒定律 B．自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性 C．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，从单一热源吸收热量，完全变成功是不可能的 D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减少，但能量品质提升了 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 第二类永动机没有违反能量守恒定律，但违背热力学第二定律，A错误；根据热力学第二定律可知，自然界中所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性，B正确；热量不可能自发地从低温物体传到高温物体而不引起其它变化，也不可能从单一热源吸收热量，全部用来做功而不引起其它变化。但在引起其它变化的情况下，热量是可以从低温物体传到高温物体的，也可以从单一热源吸收热量全部用来做功，C错误；能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减少，但能量品质降低了；例如，内燃机燃烧汽油把化学能转化为机械能，最终机械能又会转化为内能，而最终的内能人们很难再重新利用，所以我们说能量的品质下降了， D错误。 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 4．随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，油价的不断攀升，已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，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．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 B．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行 C．可以直接利用空气中的内能，减少“温室效应” D．物体吸收热量，物体的内能可能减小 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 课时梯级训练（15） 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 探究点一___热力学第二定律 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。 打开阀门K后，A中的气体进入B中，由于B中为真空，所以A中的气体不会做功，A错误；气体分子间作用力忽略不计，所以气体分子间没有分子势能，又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，气体的温度也不变，B、C错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，B中气体不可能自发地全部退回到A中，D正确。 即使科技越来越进步，所有符合能量守恒定律但不符合热力学第二定律的宏观过程也无法发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B错误；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响，C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误。 探究点二___热机与第二类永动机 热水将热量传递给叶片，同时热水会向四周放出热量，根据热力学第一定律可知水的内能减少，故热水的温度会降低，A正确；要维持转轮转动需要外力做功，转轮转动所需能量不能由转轮自身提供，B错误；转轮转动的过程中克服摩擦力做功，转轮的速度越来越小，所以要维持转轮转动需要外力做功，C错误；根据热力学第二定律，物体不可能从单一热源吸收能量全部用来对外做功而不引起其他变化，故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，D错误。 第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，同时做功和热传递也不一定会改变内能。C错误；由热力学第二定律可知从单一热源吸收热量，完全变成功是可能的，但会引起其他变化，D正确。 热传递具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，故一杯热茶自然放置，茶会自动变得凉，不会自动变得更热，违背热力学第二定律，A错误；电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体，此过程中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，能发生，B正确；蒸汽机的能量损失不可避免，不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，违背了热力学第二定律，不能发生，C错误；利用降低海水温度放出大量的热量来发电，需要消耗更多的其它能量，违背了热力学第二定律，故不能解决能源短缺问题，D错误。 A选项符合热力学第一、第二定律；冷水和杯子的温度不可能都变低，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选项的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选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，C正确。 内燃机工作时，燃料不可能全部燃烧，尾气要带走部分热量，零件之间存在摩擦生热，发动机本身需要散热等等，使得发动机不可能将所有内能转化为机械能，A错误；由于能量的转移和转化具有方向性，满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发地进行，B错误；空气中的内能并不能直接被利用，如果需要利用，则需要热泵，例如空调，空气能热水器等，都需要热泵工作同时消耗电能，引起了其他变化，C错误；根据热力学第一定律，改变内能的方式有两种：做功和热传递，外界对物体做功，若物体同时向外放热，则物体的内能有可能减少，D正确。 5．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所产生的。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地，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 结晶过程不是自发地，通常是由于水温降低或水的蒸发引起，受到环境的影响，是由无序向有序的转变过程，A、B正确；盐在溶解时固态变为液态，是自发过程，自发过程是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，即熵增加，C正确；孤立系统的熵永不减小，D错误。 $$