第3章 4. 热力学第二定律-【重难点手册】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

重滩点手册高中物理选择性必修第三册) 第4节 热力学第二定律 重点和难点 课标要求 1.通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了 重点：热力学第二定律 解归纳热力学第二定律的过程和方法. 难点：通过自然界中宏观过程的方向 2.能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，即自然界中的能量 性了解热力学第二定律。 转化、转移以及方向性问题 3.了解能量与能源的区别以及能源的有限性。 口01必备知识梳理 基础梳理 知识点1热力学第二定律 L.热力学第二定律的两种表述 已划重点7 (1)克劳修斯表述：热量不可能自发地从低温物体传到高温 热力学第二定律的意义 物体 1.热力学第二定律揭示 (2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成 了大量分子参与宏观过程的 功，而不产生其他影响。 方向性，使人们认识到自然界 2.对热力学第二定律的理解 中涉及热现象的宏观过程都 (1)克劳修斯表述是按热传递的方向性来表述的.在这个表 具有方向性 述中，“自发”指的是：当两物体接触时，不需要任何第三者的介 2.热力学第二定律说明 入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传到 自然界中各种不可逆过程都 另一个物体，当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向 是相关联的，即由某一过程的 就是从高温物体指向低温物体.在特定条件下热量也可以从低温 不可逆性可推出另一过程的 物体传到高温物体.如电冰箱就是把热量从低温物体（箱内）传到 不可逆性 高温物体（箱外）.但这需要通过压缩机做功，不是自发过程. 3.热力学第二定律与热 (2)开尔文表述是按机械能与内能转化过程的方向性来表述 力学第一定律一起构成了热 的.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 力学的主要理论基础，除对热 做功以转化成机械能而不产生其他影响. 机的研究外，在研究化学能与 (3)开尔文表述中“单一热库”是指温度均匀并且恒定不变的 其他能量转化及各种化学过 热源.若工作物质可以从热源中温度较高的部分吸热而往温度较 程进行的条件和方向时都有 低的部分放热，这样就相当于两个热源了.大量的事实说明，在任 着重要的指导意义 何情况下热机都不可能只有一个热库. (4)开尔文表述中“其他影响”指除了由单一热库吸热，把所 吸的热用来做功以外的任何其他变化， 如理想气体和单一热库接触做等温膨胀时，内能不变，由热 76 第三章 热力学定律么组 力学第一定律Q=一W,即吸收的热量全部用来对外做功了.但 刀拓视野 这时产生了其他影响，即理想气体的体积膨胀了， 1,第二类永动机：只从单 (5)克劳修斯表述与开尔文表述是等价的，两种表述可相互 一热源吸收热量，使之完全变 推导. 为有用的功而不引起其他变 (6)对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为 化的热机 热力学第二定律的表述.例如，热力学第二定律也可以表述为“气 2.第二类永动机不可能 体向真空的自由膨胀是不可逆的”等 制成：这类机器虽然不违背能 3.热机 量守恒定律，但因为机械能和 (1)热机：把内能转化为机械能的一种装置.例如，蒸汽机把 内能的转化过程是有方向性 水蒸气的内能转化为机械能；内燃机把燃烧后的高温高压气体的 的，热机工作时从高温热源吸 内能转化为机械能。 收的热量Q,只有一部分用来 (2)热机的组成部分 做功W,转化为机械能，另一 ①热源：指燃烧燃料而获得能量的部件. 部分热量要排放给低温热源， ②工作物质：指利用获得的热量来做功的物质，如蒸汽机里 也就是说，热机在工作过程中 的蒸汽，内燃机里燃烧后的高温气体 必然排出部分热量，热机用于 ③冷凝器：把做功后工作物质所剩余的热量进行再吸收的部 做机械功的热量仅是它从高 分.如推动活塞做功后放出的蒸汽的温度也很高，如果把这种蒸 温热源吸收热量的一部分，绝 汽直接放入大气中，则大气就是冷凝器.当然这样就白白浪费了 不会是全部.所以第二类永动 剩余的蒸汽所具有的能量，通常把这种工作后剩余的蒸汽通过管 机是不可能制成的 道送入居民区用于烧水、做饭，取暖等。 (3)热机的工作原理 工作物质从热源吸收热量Q,推动活塞做功W,然后排出废 气，同时把热量Q散发到冷凝器中，根据能量守恒得Q=W十Q. (4)热机的效率 把热机做的功W与它从热源中吸收的热量Q,的比值叫作 热机的效率，用7表示，有&因Q=W+Q,所以Q>W, W 1.这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有 刀划重点 一部分要散失在冷凝器中.热机的效率不可能达到100%. 第一类永动机和第二类 4.热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系 永动机的比较 热力学第一定律 热力学第二定律 第一类永动机第二类永动机 热力学第一定律是能量守恒热力学第二定律是关于在有限空 从单一热源 定律在热力学中的表现，否定间和时间内，一切和热现象有关 不雪要任何 动力或燃料， 吸收热量，侵 区别 了凭空产生能量和消灭能量的物理过程、化学过程具有不可 却能不断地 之完全变成 功，从而不产 的可能性，从而否定了第一类逆性的经验总结，从而否定了第 对外做功 生其他影响 永动机 二类永动机 不违营能量 不可能 两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象 制成的 违背能量守 守恒定律，但 恒定律 造背热力学 联系 有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都 原因 第二定律 是热力学理论基础 77 重避食手册高中物理选择性必修第三册则 知识点2能源是有限的 1.能量和能源 (1)能量表示物理系统的做功本领，是运动转换的量度. (2)能源是指具有高品质的容易利用的储能物质， 2.能量耗散 每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周 围环境升温.根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数 量多么巨大，也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”. 3.能源是有限的 能源的使用过程中，虽然能量的总量是守恒的，但能量的品 质下降了，导致很难再被利用了，也就是说，虽然能量的总量不会 减少，但能源会逐步减少， 4.能源与人类社会发展 能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，是国民经济 运行的物质基础.它与材料、信息构成现代社会的三大支柱.能源 科技的每一次突破，都会带来生产力的巨大飞跃和社会的进步. 为了促进社会可持续发展，我们必须关注能源安全，不仅要注意 节约使用，还要注意开发新能源.如太阳能、生物能及核能等，树 立推动社会可持续发展的责任感 重难拓展 重难点1熵与熵增加原理 1.有序和无序 (1)有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的系统就是有 P划重点 序的。 对熵增加原理的理解 (2)无序：一个系统中，对个体的分布没有确定的要求，“怎样 1.由嫡的定义可知，熵较 分布都可以”，这样的分布是无序的 大的宏观状态就是无序程度 (3)对有序和无序的理解 较大的宏观状态，也就是出现 概率较大的宏观状态.在自然 ①无序意味着各处都一样，平均、没有差别；有序则相反， 过程中熵总是增加的，并非是 ②有序和无序是相对的.按照某种规则，个体分布是有序的， 因为有序是不可能的，而是因 但若按另一种规则要求，有些个体分布就可能是无序的： 为通向无序的渠道要比通向 2.熵 有序的渠道多得多，就像把事 嫡用来表达一个系统的无序程度.嫡值越大的状态，系统内 情搞得乱糟糟的方式要比把 粒子热运动就越混乱无序；嫡值越小的状态，系统内粒子热运动 事情做得整整齐齐的方式多 的无序性就越小。 得多. 78 第三章 热力学定律么组 3.熵增加原理 2.从微观的角度看，热力 在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤 学第二定律是一个统计规律： 立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理， 一个孤立系统总是从熵小的 例①下列关于熵的说法错误的是(). 状态向熵大的状态发展，而熵 A.熵是系统内分子运动无序性的量度 值较大代表着较为无序，所以 自发的宏观过程总是向无序 B.在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 度更大的方向发展，如果过程 C.热力学第二定律也叫作熵减小原理 可逆，则熵不变：如果过程不 D.嫡值越大，代表系统内分子运动越无序 可逆，则熵增加。 解析熵是系统内分子运动无序性的量度，熵值越大，系统内 分子运动的无序性越大，故A、D正确；根据热力学第二定律可 知，在自然过程中熵是不会减小的，故B正确；热力学第二定律也 叫熵增加原理，故C错误. 答案C 02关健能力提升。 题型1热力学第二定律的应用 想气体 例①(2025·浙江金华一中高二月考) D.制冷剂在通过冷凝器的过程中分子势 (多选)电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发 能和分子动能都降低 器四个部分组成一个密闭的连通系统，制冷剂 解析根据热力学第一定律，Q(从低温物 在连通系统内循环流经这四个部分.若各部分 体吸收的热量)十W(压缩机对系统做功)= 的温度和压强如图所示，则下列说法正确的是 Q(向高温物体释放的热量)，A正确；这一过 (). 程不是自发完成的，蒸发器和冷凝器两处的热 低温低 低温高 压液体毛细管压液体p=-9.73atm. 交换方向都是从高温物体向低温物体，整个过 p,=0.93atm, A t.=37℃ 程实现了热量从低温物体向高温物体的传递， t=28℃ 符合热力学第二定律，B正确；制冷剂在蒸发器 中虽然是气体状态，但是不满足理想气体的条 箱内=-15C 器 环境t=30℃ 件，不能看成理想气体，C错误；在冷凝器中制 p,=1.45atm. 冷剂温度降低，分子平均动能降低，分子间距 t,=-18℃ 四通阀 低温低 压缩机三 =12.2 atm. 从气体过渡到液体，分子势能降低，D正确： 低温高 压气体 t=47℃ 压气体 答案ABD A.冷凝器向环境散失的热量一定大于蒸 题型2能量耗散 发器从冰箱内吸收的热量 例②（多选）下列哪些现象属于能量耗散 B.该过程实现了热量从低温物体向高温 ( ) 物体的传递 A.利用水流能发电获得电能 C.制冷剂在蒸发器中的状态可以看成理 B.电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能 79 重滩点手册高中物理选择性必修第三册【 d C.电池的化学能转化为电能 B.自由膨胀前后，气体的压强不变 D.火炉把房子烤暖 C.自由膨胀前后，气体的温度不变 解析]能量耗散是指其他形式能转化为内 D.容器中的气体在足够长的时间内能全 能，最终分散在周围环境中无法重新收集起来 部自动回到A部分 并加以利用的现象，转化为能够重新收集并加 以利用的能量不能称为能量耗散，能量在转化 和转移过程中有方向性，并且能量品质不断降 低.故选B、D. 答案BD 解析由分子动理论知，气体分子的热运 题型3理想气体状态变化与热力学第二定 动是永不停息的无规则运动，故选项A错误； 律的综合应用 由能量守恒定律知，气体膨张前后内能不变， 例③(2025·安微师大附中高二月考)用 又因一定质量理想气体的内能只与温度有关， 隔板将一绝热容器隔成A和B两部分，A中盛 有一定质量的理想气体，B为真空（如图甲所 可知气体的温度不变，故选项C正确；由Y 示).现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个 C知，气体压强变小，故选项B错误；由热力学 容器（如图乙所示），这个过程称为气体的自由 第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在 膨张.下列说法正确的是(). 无外界影响的情况下，容器中的气体不能自发 A.自由膨胀过程中，气体分子只做定向 地全部回到容器的A部分，故选项D错误 运动 [答案C 80