3.4 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（人教版2019）

热力学定律 第4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 （R）　 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.了解传热、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。知道具有方向性的过程是不可逆的。 2．了解热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因。 　　能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，并能解决一些实际问题。 　　了解能量与能源的区别以及能源的有限性。 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 一、热力学第二定律 1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的____性的定律。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从__温物体传到__温物体。阐述的是传热的____性。 ↓ 　　　　　　　　　　　　　　不需要任何第三者,介入就能发生 必备知识 自主学习 方向 低 高 方向 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 化学能 内能 做功 机械能 小于 < 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 完全变成功 等价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 高品质 能源 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 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 （R）　 1．自然过程的方向性 (1)热传导具有方向性 ①不借助外界帮助，热量能自发地从高温物体传给低温物体。 ②只有借助外界帮助，引起其他变化的情况下热量才能从低温物体传给高温物体。 (2)气体的扩散现象具有方向性 两种不同的气体可以自发地均匀混合，但混合气体，不会自发地分开。 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 （R）　 ⁠ 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 （R）　 ⁠ 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 （R）　 ⁠ 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 （R）　 ⁠ 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 （R）　 ⁠ 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 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 AD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 BC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 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 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 BCD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 1．两定律的比较 关键能力 互动探究 项目 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、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 项目 热力学第一定律 热力学第二定律 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 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 项目 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，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(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化) 不可能制成的原因 违背了能量守恒定律 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 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 BC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 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 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 BC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 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 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ BD 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ AB 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ A 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ A 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 BCD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ ABC 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 课时梯级训练（16） 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 3．热力学第二定律的开尔文表述 (1)热机 ①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的______变成工作物质的____；第二个阶段是工作物质对外____，把自己的内能变成______。 ②热机用于做功的热量一定____它从高温热库吸收的热量，即W__Q。 (2)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__________，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。 4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是____的。 二、能源是有限的 1．能源：具有______的容易利用的储能物质。 2.能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散” ↓ 反映出自然界中的自发变化过程具有方向性 3．能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了，____减少了。 判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)热量不能由低温物体传给高温物体。(　 　) (2)科技发达后，热机的效率可以达到100%。(　 　) (3)机械能可以全部转化为内能，而内能不能自发地全部转化为机械能。(　 　) (4)能量耗散不遵循能量守恒定律。(　 　) (5)能量耗散会导致能量的品质降低。(　 　) (6)为了可持续发展，必须节约能源。(　　) 探究点一___对热力学第二定律的理解 (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。 (4)气体向真空膨胀具有方向性 气体可自发地向真空容器内膨胀，但不可能自发地从容器中流出，使容器变为真空。 2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”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。 (2)“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。 (3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一个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。 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，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，用任何的办法都不可能加以消除。 特别提醒：(1)热力学第二定律的两种表述是等价的。 (2)热力学第二定律的实质：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。 3．熵与熵增加原理 (1)熵增加原理：在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的。 (2)微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，即自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。 【例1】 (多选)根据热力学第二定律可知，下列说法正确的是(　　) A．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化 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 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，即会引起其他变化，A正确，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到低温物体，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)，C错误，D正确。 [练1] (多选)根据热力学第二定律，可知下列说法正确的是(　　) A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体 B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体 C．机械能可以全部转化为内能 D．内能可以全部转化为机械能而不引起其他变化 根据热传导的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地(不需要外界帮助)从低温物体传到高温物体，但是如果借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，A错误，B正确；机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功且最终停止运动时，机械能全部转化为内能)，内能无法全部转化为机械能而不引起其他变化，C正确，D错误。 探究点二___能源与能量耗散 能量与能源的区别 (1)能量是守恒的，既不会增加也不会减少。 (2)能源是能够提供可利用能量的物质。 (3)能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源。 【例2】 (2024·广东佛山高三检测)下列对能量耗散的理解正确的是(　　) A．能量耗散说明能量不断减少 B．能量耗散遵守能量守恒定律 C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失 D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程没有方向性 能量耗散的过程中能量向品质低的大气内能转变，但是总的能量是守恒的，能量不能凭空产生，也不能凭空消失，A、C错误，B正确；根据热力学第二定律可知，宏观自然过程自发进行有其方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，D错误。 [练2] (多选)下列关于能量耗散的说法，正确的是(　　) A．能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律 B．能量耗散是指散失在环境中的内能再也不能收集起来被人类利用 C．各种形式的能量向内能的转化，是能够全额发生的 D．能量耗散导致能量品质降低 能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，能量耗散遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，A错误，D正确；耗散的内能无法再被收集起来利用，B正确；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，C正确。 探究点三___热力学第一定律和热力学第二定律的比较 2.两类永动机的比较 【例3】 (多选)根据热学中的有关知识，下列说法正确的是(　　) A．一切符合能量守恒定律的宏观过程都能发生 B．空调的工作过程表明，热量可以由低温物体向高温物体传递 C.因为内能无法全部用来做功转化成机械能而不引起其他变化，所以热机效率一定不能达到百分之百 D．第二类永动机不违背能量守恒定律，当人类科技水平足够先进时，第二类永动机可以被制造出来 热运动的宏观过程有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不都能发生，根据热力学第二定律，不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，所以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换成机械能，A错误，C正确；空调的工作过程表明，热量可以由低温物体向高温物体传递，B正确；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，D错误。 [练3] 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，故两条定律并不矛盾 C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别 D．能量守恒定律包含了热力学第一定律和热力学第二定律 热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，B正确，A、C、D错误。 探究点四___解决实际问题 [练4] (生活情境)(多选)电冰箱的工作原理示意图如图所示；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．电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律 热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，C正确，D错误；根据热力学第二定律，热量要从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确。 1．(多选)(2024·河南高三检测)下列属于对热力学第二定律的描述且说法正确的是(　　) A．在任何自然过程中，一个独立系统的总熵不变 B．热量不能自发地从低温物体传到高温物体 C．不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功 D．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 用熵的概念表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个独立系统的总熵不会减小，即熵增加原理，A错误；热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，B正确；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，使之完全变成功，而不产生其他影响，C错误；热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，D正确。 2．(多选)关于能量和能量耗散，下列说法正确的是(　　) A．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性 B．能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的 C．能量的总量守恒，不会消失，所以没有必要节约能源 D．能量之间可以相互转化，故能源循环利用很方便 能量守恒定律是普遍规律，能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发过程具有方向性，耗散过程中能量也是守恒的，A正确；能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的，如煤炭和石油燃烧会造成空气污染和温室效应，B正确；能源不是能量，自然界总的能量是守恒的，但能源是有限的，需要节约能源，C错误；能量之间可以相互转化，但是这种转化有方向性，耗散的能量很难再收集起来重新利用，D错误。 3．关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) 3．关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) A．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功 B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加 C．为了增加物体的内能，只能向它传递热量 D．不可能使热量从低温物体传向高温物体 不可能从单一热源吸收热量使之完全变为功而不引起其他变化，如果引起其他变化，就可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，A正确；做功和传热是改变物体内能的两种方法，由热力学第一定律知：为了增加物体的内能，可以对物体做功或向它传递热量，单独地对物体做功或向其传递热量，内能都不一定增加，B、C错误；根据热力学第二定律，不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体，但在外界的作用下，能使热量从低温物体传向高温物体，比如电冰箱，D错误。 3．关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) A．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功 B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加 C．为了增加物体的内能，只能向它传递热量 D．不可能使热量从低温物体传向高温物体 不可能从单一热源吸收热量使之完全变为功而不引起其他变化，如果引起其他变化，就可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，A正确；做功和传热是改变物体内能的两种方法，由热力学第一定律知：为了增加物体的内能，可以对物体做功或向它传递热量，单独地对物体做功或向其传递热量，内能都不一定增加，B、C错误；根据热力学第二定律，不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体，但在外界的作用下，能使热量从低温物体传向高温物体，比如电冰箱，D错误。 4．(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，墨水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，不会将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% 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，A错误；由热力学第二定律可知B、C、D正确。 5．(多选)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．一定质量的理想气体经历一个缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减少 B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的 C．热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成 D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体” 一定质量的理想气体经历一个缓慢的绝热膨胀过程，Q＝0，W<0，根据ΔU＝W＋Q可知，气体的内能减小，A正确；热力学第二定律表明：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，B正确；热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成，C正确；热力学第二定律可描述为“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”，D错误。 $$