3.3 热力学第二定律 课件 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

第3章　热力学定律 第3节　热力学第二定律 课标要求 1.通过自然界中宏观过程的方向性,了解热力学第二定律。(物理观念) 2.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。(物理观念) 3.了解什么是第二类永动机,知道为什么它不可能制成。(物理观念) 基础落实·必备知识全过关 一、可逆过程与不可逆过程 1.可逆过程:一个系统由某一状态出发,经过某一过程达到另一状态,如果存在另一过程,它能使系统和外界完全复原,即系统回到原来的状态,同时消除原来过程对外界的一切影响,则原来的过程称为　　　　　;如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原,则原来的过程称为　　　　　　　。  2.热传递是不可逆过程,具有　　　　　　。  3.功热转化这一现象是不可逆的,具有　　　　　。  4.凡是与热现象有关的宏观过程都具有　　　　　。  可逆过程 不可逆过程 方向性 方向性 方向性 二、热力学第二定律及第二类永动机 1.热力学第二定律的克劳修斯表述:不可能使热量从　　　　物体传向 　　　　物体而不引起其他变化。  2.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　　　　转化为工作物质的　　　　。第二个阶段是工作物质对外　　　　,把自己的内能转化为　　　　　　。  (2)热机的效率η:热机对外做的　　与它从高温热源吸收的　　　　的比值,用公式表示为 。热机的效率不可能达到100%。  低温 高温 化学能 内能 做功 机械能 功 热量 3.热力学第二定律的开尔文表述:不可能从单一热源　　　　热量,使之完全用来　　　而不引起其他变化。  4.第二类永动机 (1)第二类永动机:从单一热源吸收热量并使之完全转化为功而不引起其他变化的机器。 (2)第二类永动机是　　 　　实现的。  吸收 做功 不可能 想一想热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”? 提示 不能。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给低温物体,使高温物体的温度降低,低温物体的温度升高,这个过程是自发进行的,不需要任何外界的影响或者帮助,有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体,如电冰箱,但这不是自发进行的,需要消耗电能。 易错辨析 判一判 (1)热量不会从低温物体传给高温物体。(　　) (2)机械能可以完全转化为内能,内能也可能完全转化为机械能。(　　) (3)可以从单一热源吸收热量,使之完全用来做功。(　　) (4)第二类永动机违背了能量守恒定律。(　　) 提示 热量可以从低温物体传向高温物体,例如电冰箱。 提示 第二类永动机违背了热力学第二定律。 × √ √ × 即学即用 练一练 在研究性学习的过程中,同学们提出了以下四个活动方案,从理论上讲可行的是(　　) A.将散失在周围环境中的内能全部收回再利用 B.发明一种制冷设备,使温度降至绝对零度 C.汽车尾气中各类有害气体排入大气后发生扩散现象严重污染了空气,使它们自发地聚在一起,既清洁了空气,又变废为宝 D.在房屋顶部盖上太阳能板,可用太阳能来解决照明和热水问题 D 解析 系统的内能流失到周围环境中,想要全部收回再利用只能消耗更多能源,A错误;温度不能无限降低,绝对零度不可能达到,B错误;扩散现象具有方向性,逆过程不可能自发进行,C错误;太阳能可以用来发电和进行加热,D正确。 重难探究·能力素养全提升 探究点一　对热力学第二定律的理解 导学探究 如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,通过示意图思考以下问题: (1)制冷机工作时热量是自发地从低温热源传到高温热源吗? (2)热机工作时能否将从高温热源吸收的热量全部用来做功? 要点提示 (1)不是　(2)不能 知识归纳 1.自然过程的方向性 (1)热传导具有方向性 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给低温物体,而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体,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,因而产生其他影响或引起其他变化。 (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进入对方,最后成为均匀的混合气体,但这种均匀的混合气体,决不会自发地分开,恢复为原来两种不同的气体。 (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在水平面上运动,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,但绝不可能出现气体自发地从容器中流出,使容器内变为真空。 2.在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不产生其他影响”“单一热源”“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或借助其他物体提供能量等。 (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)“单一热源”: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。 (4)“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。 画龙点睛　(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: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。 典例剖析 A 【例题1】 (2025重庆高二下期中)根据热力学第二定律,下列说法正确的是(　　) A.热量可以从低温物体传到高温物体 B.对能源的过度消耗不会形成“能源危机” C.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能 D.一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的 解析 热量可以从低温物体传到高温物体,A正确;对能源的过度消耗,可利用的能源越来越少,会形成“能源危机”,B错误;蒸汽机的效率不能达到百分之百,蒸汽机只能把蒸汽的一部分内能转化为机械能,C错误;一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,D错误。 规律方法　1.一切物理过程均遵守能量守恒定律,但遵守能量守恒定律的物理过程不一定都能实现。 2.热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”,但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”,如果去掉这种前提条件,就都是有可能的。例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体,等温膨胀就是从单一热源吸收热量,使之完全用来做功,但不是自发地或是产生了其他影响。 D 对点演练 1.如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q为真空,整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则(　　) A.气体体积膨胀,内能减少 B.气体分子势能减少,内能增加 C.气体分子动能增加,内能不变 D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中去 解析 打开阀门K后,P中气体进入Q中,由于Q内为真空,气体体积增大时并没有对外做功,分子势能不变,又因为系统没有热交换,由热力学第一定律可知,其内能不变,温度不变,则气体分子动能不变,选项A、B、C错误;由热力学第二定律可知,自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性,则Q中气体不可能自发地全部退回到P中去,选项D正确。 探究点二　第二类永动机 导学探究 国内某柴油机厂所产的单缸柴油机如图所示,图中上方部分为水箱。 热机工作时,内能可以全部转化为机械能吗?水箱所起的作用是什么? 要点提示 热机工作时,内能有一部分转移到低温热源,不可能全部转化为机械能;水箱的作用是作为低温热源给热机快速降温。 知识归纳 1.热机 (1)热机 热机是把内能转化为机械能的一种装置。 如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能,内燃机是把燃烧后的高温、高压气体的内能转化为机械能。 (2)热机的工作原理 工作物质从热源吸收热量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中。 根据能量守恒定律有Q1=W+Q2。 符合热力学第二定律 (3)热机的效率 把热机做的功W与它从热源中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率,用η 因为Q1=W+Q2,所以Q1>W,η<1。 (4)注意事项 ①热机必须有热源和冷凝器。 ②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。 ③因热机工作时,总要向冷凝器散热,不可避免地要释放一部分热量Q2,所以总有Q1>W。 ④热机的效率不可能达到100%,即使是理想热机,没有摩擦,也没有漏气等能量损失,它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能,总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。 2.第二类永动机 (1)第二类永动机 只从单一热源吸收热量,使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。 (2)第二类永动机不可能制成 这类机器虽然不违背能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的,热机工作时从高温热源吸收的热量Q,只有一部分用来做功W,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温热源。也就是说,热机在工作过程中必然排出部分热量,热机用于做机械功的热量仅是它从高温热源吸收热量的一部分,绝不会是全部,所以第二类永动机是不可能制成的。从上面的分析可知,即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失,也总有W<Q,所以热机的效率总达不到100%。汽车发动机的效率一般在20%~30%,燃气轮机的效率较高,可达60%左右。 (3)热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成。 3.两类永动机的比较 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 的原因 违背了热力学第一定律 违背了热力学第二定律 典例剖析 【例题2】　(多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是(　　) A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机是第二类永动机 B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成 C.第二类永动机不可能制成,说明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 D.第二类永动机不可能制成,说明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 AD 解析 根据所学的热机知识可知选项A正确。第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,所以选项B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能,选项C错误,选项D正确。 对点演练 2.关于两类永动机和两个热力学定律,下列说法正确的是(　　) A.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律 B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律 C.由热力学第一定律可知,做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能 D.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,完全用来做功也是可能的 D 解析 第一类永动机违反热力学第一定律,选项A错误;第二类永动机违反热力学第二定律,选项B错误;由热力学第一定律可知当W≠0,Q≠0时,ΔU=W+Q可以等于0,选项C错误;由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的,但一定会产生其他影响,选项D正确。 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 4 5 1.(多选)根据热力学第二定律,下列判断正确的是(　 　) A.电能不可能全部变为内能 B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部变为电能 C.热机中,燃气内能不可能全部变为机械能 D.在热传导中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体 BCD　 解析 根据热力学第二定律可知,凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,电能可全部变为内能(由焦耳定律可知),内能不可能全部变成电能,而不产生其他影响。热机中,机械能可全部变为内能,而内能不可能全部变成机械能。在热传导中,热量只能自发地从高温物体传递给低温物体,而不能自发地从低温物体传递给高温物体。 1 2 3 4 5 D 2.(2025云南昆明高三上期中)关于热力学定律的说法中,正确的是(　　) A.第二类永动机不可能制成的原因是它们都违背了能量守恒定律 B.气体吸收热量时温度一定升高 C.压缩气体时,体积越小越困难是因为气体体积越小,气体分子间斥力越大 D.可以从单一热源吸收热量全部用来对外做功 1 2 3 4 5 解析 第一类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律,第二类永动机不可能制成是违反了热力学第二定律,故A错误;气体吸收热量的同时可以对外做功,温度可能升高,可能不变,也可能降低,故B错误;压缩气体体积越小越困难是因为气体体积越小,容器内外的压强差越大,与气体分子间斥力无关,故C错误;从单一热源吸收热量在引起其他变化时可全部用来对外做功,例如绝热膨胀,故D正确。 1 2 3 4 5 3.如图所示,绝热的气缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分,活塞质量不计,活塞用销钉锁住,活塞与气缸之间没有摩擦,气缸左边装有一定质量的理想气体,右边为真空,现在拔去销钉,抽去活塞,让气体向右边的真空做绝热自由膨胀,下列说法正确的是(　　) A.气体在向真空膨胀的过程中对外做功,气体内能减少 B.气体在向真空膨胀的过程中,分子平均动能变小 C.气体在向真空膨胀的过程中,分子平均动能变大 D.若无外界的干预,气体分子不可能自发地退回到左边,使右边重新成为真空 D 1 2 3 4 5 解析 由于活塞质量不计,右边为真空,所以气体膨胀时不做功,又因为是绝热气缸,所以气体内能不变,A错误;气体在向真空膨胀的过程中,不做功,不交换热量,内能不变,故温度不变,分子平均动能不变,B、C错误;根据热力学第二定律可知,涉及热现象的宏观过程具有方向性,所以若无外界的干预,气体分子不可能自发地退回到左边,使右边重新成为真空,D正确。 1 2 3 4 5 4.(多选)电冰箱的工作原理图如图所示,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.冰箱内传到冰箱外的热量等于冰箱内减少的热量 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.电冰箱的工作原理违背了热力学第二定律 D.电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外, 工作过程中所产生的其他一切影响,无论用任何办法都不可能加以消除 BD 1 2 3 4 5 解析 电冰箱制冷系统从冰箱内部吸收了热量的同时消耗了电能,转化为压缩机的机械功,但在转化的过程中有一部分电能转化成了内能,和从冰箱内吸收的热量一起被传到外界,因此冰箱内传到冰箱外的热量大于冰箱内减少的热量,故A错误;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,转化为压缩机的机械功,从而使压缩机不断做功,实现制冷效果,故B正确;电冰箱的工作原理并不违背热力学第二定律,电冰箱在从低温热库吸热的同时也在消耗电能,并且消耗的电能并未完全转化为压缩机的机械功,还有一部分电能转化为热能释放到外界,故C错误;根据热力学第二定律可知,电能不可能全部转化为压缩机的机械功,从而使电冰箱将热量从低温热库传到高温热库,在使电冰箱将热量从低温热库传到高温热库的过程中,还有部分电能转化成了内能,即在能量守恒的情况下,能量的利用率不可能达到百分之百,一定还会产生其他的影响,故D正确。 1 2 3 4 5 5.一效率为30%的热机,输出功率为5 kW,若每一循环排出的热量为7 000 J,则每一循环吸收的热量Q=　　 　　,每一循环经历的时间t=　　　。  10 000 J(或1×104 J) 0.6 s η= 表示,有η=。 解析 根据η=1-=1-=30%,解得Q=10 000 J;每一循环经历的时间t= s=0.6 s。 $