3.3 热力学第二定律（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第三节　热力学第二定律 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道热现象发生过程的方向性，掌握热力学第二定律的两种描述并理解其物理意义． 2．知道“第二类永动机”不可能实现的原因． 1.物理观念：热力学第二定律两种表述． 2．科学思维：两种表述的物理意义及等价性． 3．科学态度与责任：能源在社会发展中的地位和节约能源的意义． [对应学生用书P53] 热传递过程是有方向性的．热量从高温物体向低温物体的热传递过程是自发进行的．反过来，要使热量从低温物体传递给高温物体，则必须借助外界的作用． 机械能和内能的转化过程也是有方向性的．机械能可以全部转化为内能，内能却无法全部用来做功以转化为机械能，而不产生其他影响． 扩散现象也具有方向性．两种不同的气体可以自发地混合，最后成为一种均匀的混合气体．相反，一种均匀的混合气体却不会自发地分开成为两种气体． 1．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递到高温物体．热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的方向性． 2．开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，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). [判断] (1)热现象宏观自然过程都是可逆的．(×) (2)热量不可能从低温物体传到高温物体．(×) (3)热机工作时，热量不可能完全转化为机械能．(√) [对应学生用书P54] 探究点一　对热力学第二定律的理解 如图是热量在传递过程中的情景． (1)在自然过程中热量是如何传递的？ (2)空调和冰箱是如何传递热量的？ 提示　(1)热量由温度高的物体传递给温度低的物体，或由温度高的地方传递到温度低的地方． (2)空调和冰箱可以通过电机做功，把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外． 1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不可能”、“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不需借助其他物体提供能量等． (2)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． (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． 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． (多选)如图为电冰箱的工作原理示意图．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反热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 BC　[热力学第一定律适用于所有的热学过程，C正确，D错误；由热力学第二定律可知，A错误，B正确．] [训练1]　(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是(　　) 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，也可能从低温物体传到高温物体 C．功可以全部变成热量，但热量不可能全部变成功 D．功可以全部变成热量，热量也可能全部变成功 BD　[根据热传递的规律可知，热量能够自发地从高温物体传到低温物体；当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，制冷机(如冰箱)就是这样的装置，但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体，选项A错误，B正确；一个运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终停止，在这个过程中功全部变成热量；外界条件发生变化时，热量也可以全部变成功，如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部变成对外界做的功，选项C错误，D正确．] [训练2]　(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 AB　[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；整个过程中能量守恒且传热有方向性，B正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高了金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高了金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误．] 探究点二　第二类永动机及两类永动机的对比 如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，请在图片基础上思考以下问题： 讨论： (1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？ (2)热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？ 提示　(1)不是．热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功． (2)否．热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的释放到低温热库． 1．第二类永动机不可能制成的原因 第二类永动机不可能制成．所谓笫二类永动机是指从单一热库吸收热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器．由于内能不会自发地完全转化为机械能，而不产生其他影响，因此第二类永动机是不可能制成的． 2．两类永动机的比较 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 违背能量守恒定律 违背热力学第二定律 下列说法中正确的是(　　) A．机械能全部转化为内能是不可能的 B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会消失，也不会创生，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式 C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体 D．从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的 [思路点拨] 解此题的关键有两点： (1)热力学第二定律的两种描述． (2)第二类永动机制不成的原因． D　[机械能可以全部转化为内能，故A错误；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C错误；从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的．] [题后总结]　 (1)在引起其他影响的情况下，热量可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等． (2)分析热力学第二定律的应用问题时都不能忽视“自发地”和“不产生其他影响”的物理意义． [训练3]　下列说法中正确的有(　　) A．第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律，因此不可能制成 B．根据能量守恒定律，经过不断地技术改造，热机的效率可以达到100% C．因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能真正出现的 D．自然界中的能量是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，因此要节约能源 D　[第一类永动机违背了热力学第一定律，第二类永动机违背了热力学第二定律，A错；热机的效率永远小于100%，因为要向低温热源散热，B错；虽然能量守恒，但可利用的能量越来越少，因此要节约能源，C错，D对．] [对应学生用书P56] 1．(热现象的方向性)下列过程中，可能发生的是(　　) A．某工作物质从高温热库吸收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跑进去，恢复原状 C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体温度更高 D．两瓶不同液体自发混合，然后又自发地各自分开 C　[根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一定条件是可以实现的，C正确；内能自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误；气体膨胀具有方向性，B错误；扩散现象也有方向性，D错误．] 2．(热力学第二定律)(多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　) A．热量能够自发地从高温物体传到低温物体 B．不可能使热量从低温物体传向高温物体 C．从单一热库吸收热量，可以使之完全变成功 D．气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程 ACD　[根据热力学第二定律知，热量能够自发地从高温物体传到低温物体，故A正确；在外界的影响下，能使热量从低温物体传向高温物体，如空调制冷时，故B错误；根据热力学第二定律：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，可知在外界的作用下，从单一热库吸收热量，可以使之完全变成功，故C正确；所有涉及热现象的宏观过程都有方向性，则知气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程，故D正确．] 3．(永动机不可能制成)对于永动机的认识，下列说法正确的是(　　) A．第一类永动机和第二类永动机都违背了能量守恒定律，所以都不可能制成 B.第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机没有违背能量守恒定律，因此，随着科学技术的迅猛发展，第二类永动机是可以制成的 C．第一类永动机违反了热力学第一定律，第二类永动机违反了热力学第二定律，这两类永动机都不可能制成 D．两类永动机的实质和工作原理是相同的，都是人们的美好设想，是永远不会实现的 C　[第一类永动机违反了能量的转化与守恒，不可能实现，第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，内能在转化为机械能的过程中要生热，所以要引起其他变化．这两类永动机都不可能制成，故A、B、D错误，C正确．] 4.(热力学第二定律的应用)如图所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，汽缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触面是光滑的，但不漏气．现将活塞与杆连接，使其缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　　) A．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，所以此过程违反了热力学第二定律 B．气体是从单一热库吸热，但并未全部用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律 C．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D．以上三种说法都不对 C　[此过程虽然是气体从单一热库吸热，全部用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律．] 学科网（北京）股份有限公司 $$