3.4 热力学第二定律 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案围绕热力学第二定律展开，引导学生掌握两种表述（克劳修斯、开尔文）、宏观过程方向性及能源有限性，通过课堂导练的现象判断（如热茶变热、泥水分离）和填空预习，衔接热力学第一定律，搭建从具体现象到规律本质的学习支架。 特色在于结合小组讨论（如冰箱开门降温问题）和实例分析（扩散现象），培养科学探究与交流能力。例题、变式训练及微观解释（熵增原理），强化科学思维中的科学推理，深化能量观念，同时渗透能源保护的科学态度与责任，提升学习效率与素养。

4．热力学第二定律 【课标要求】通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。 【学习目标】 1．了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。 2．能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题。 3．理解能量耗散，知道能源是有限的。 【学习重难点】 重点：热力学第二定律两种常见的表述。 难点：1.热力学第二定律的开尔文表述。 2．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 课堂导练 必备知识 一、热力学第二定律 1．热现象的方向性：__________________________________________。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述： 热量不能自发地____________________。阐述的是传热的方向性。 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___________，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是___________，把自己的内能变成机械能。 ②热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即_____。 (2)热力学第二定律的开尔文表述：____________________________________。(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等价的。 5．热力学第二定律的实质：____________________。 二、能源是有限的 1．能源：_____________________。 2．能量耗散：_______________________________________，这样的转化过程叫作“能量耗散”。 3．能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的_____下降了，能源减少了。 1．以下哪些现象能够发生、哪些不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？ （1）一杯热茶自然放置，茶会自动变得更热。 （2）蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能。 （3）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。 （4）电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体。 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．一间密闭的房间里放置了一台电冰箱，为了使房间降温，有人出了一个主意，建议把冰箱接通电源，打开冰箱门，让冰箱的“冷气”进入房间中，房间就变冷了。这种方法可行吗？请说明道理。 点评点拨 一、热力学第二定律 一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看， 扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？这说明了什么？ 宏观自然过程的方向性 1．传热具有方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传向低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传向高温物体。要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而会产生其他影响或引起其他变化。 2．扩散现象具有方向性：一滴墨水滴入清水中，不久后整杯水都均匀地变黑了，但扩散在水中的颜料不可能自发地聚集成一滴墨水从而使其余部分又变成清水。 3．机械能和内能转化具有方向性：足球在水平地面上滚动时，因摩擦阻力的作用把动能转化成内能而使足球停下来，但绝不可能出现足球自发地吸收原来传递出去的热量，在地面上重新滚动起来的现象，尽管它并不违背热力学第一定律。 4．气体向真空膨胀具有方向性：打开阀门后，装在钢瓶内的压缩气体可自发地向外界膨胀，但绝不可能出现外界气体自发地进入钢瓶的现象。 热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文表述 1．克劳修斯表述 (1)内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 (2)理解： ①阐述的是传热的方向性。 ②“自发”的方向是从高温物体指向低温物体。 ③在其他条件影响的情况下，热量可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等。 2．开尔文表述 (1)热机 ①热机：把内能转化成机械能的一种装置.如蒸汽机，把水蒸气的内能转化为机械能。 ②工作原理 第一阶段：燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。 第二阶段：工作物质对外做功，把自己的内能转变成机械能。 ③热机的效率 从热源(高温热库)吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器或大气(低温热库)中。如图所示： 热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有 根据能量守恒定律有Q1=W+Q2，所以Q1＞W，η＜1。 这说明热机不可能把吸收的热量全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中。 (2)热力学第二定律的开尔文表述的内容：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。 (3)对热力学第二定律的开尔文表述的理解：阐述了机械能与内能转化的方向性，即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化成机械能。 (4)第二类永动机不可能制成 ①第二类永动机：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，实现内能与机械能的转化)。 ②不可能制成的原因：不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律。 热力学第二定律的微观解释 1．有序和无序 (1)有序：一个系统只要确定了某种规则，符合这个规则的就是有序的。 (2)无序：一个系统，如果对个体的分布没有确定的要求，怎样分布都可以，这样的分布是无序的。 说明：有序和无序是相对的。 2．宏观态和微观态 系统的宏观状态即宏观态；系统内个体的不同分布状态即微观态。 说明：如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的。 3．热力学第二定律的微观意义 热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地在相反的方向上出现.即一切自发的宏观过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行的。 4．熵 (1)符号：用字母S表示。 (2)物理意义：是系统内分子运动无序性的量度。 (3)表达式：S=kln Ω，k叫作玻耳兹曼常量；Ω表示一个宏观态所对应的微观态的数目。 (4)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。 ①熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样.系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵越大。 ②在自发过程中熵总是增加的，其原因并非是有序是不可能的，而是通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多。从熵的意义上来说，系统自发变化时，总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减小。 注：这是用熵的概念表示的热力学第二定律.因此又把热力学第二定律叫作熵增加原理。 例1． 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．热不能全部转变为功 D．热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体 变式训练1． 关于热力学第二定律，下列说法正确的是（ ） A．一定质量的理想气体在等温膨胀过程中吸收的热量等于对外做的功，并不违反热力学第二定律 B．空调既能制热也能制冷，说明热量能够从低温物体传到高温物体 C．热力学第二定律可表述为不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 D．理想热机的效率可以达到100% 二、能源是有限的 能源是有限的 由热力学第二定律可知，内能不能全部转化为机械能.从可被利用的价值来看，能量耗散虽然不会使能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。 能源与环境、开发新能源 (1)能源与环境：可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡。 (2)能源特点：具有高品质的容易利用的储能物质。 ①常规能源：煤、石油、天然气，对环境有很大的破坏，如温室效应、“酸雨”、光化学烟雾等； ②新能源的特点：污染少、可再生、资源丰富，如太阳能、风能、生物质能等。 例2． 关于能量和能源，下列说法中正确的是(　　) A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加 B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少 C．能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要 D．能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源 变式训练2． 热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　) A．能量耗散说明能量守恒定律不正确 B．能量耗散不符合热力学第二定律 C．能量耗散过程中能量不守恒 D．能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中的宏观过程具有方向性 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 (1)做功和传热的实质是相同的。（ ） (2)外界压缩气体做功20J，气体的内能可能不变。（ ） (3)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。（ ） (4)可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功。（ ） (5)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。（ ） 【参考答案】 课堂导练 必备知识 【答案】 一、1．热现象的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即与热现象有关的宏观自然过程有方向性。 2．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。阐述的是传热的方向性。 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，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。 ②热机用于做功的热量一定小于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，使之完全变成功，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) 4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。 5．热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的方向性。 二、1．能源：具有高品质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”。 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，能源减少了。 1．【答案】（1）（2）不能发生，（3）（4）能够发生，不违背 展示讨论 1．【答案】不可行，冰箱的工作原理是通过制冷剂循环将热量从冰箱内部搬运到外部环境，但冰箱的散热部件位于机身背部或侧面，散发的热量只能排到室内，无法减少房间内的总热量 点评点拨 一、热力学第二定律 【答案】 思维探究 不能，说明扩散现象具有方向性。 例1．【答案】B 变式训练1．【答案】AB 例2．【答案】D 变式训练2．【答案】D 小结小测 二、课堂小测 【答案】 × √ × √ × 学科网（北京）股份有限公司 $