第3章 第4节 热力学第二定律(Word教参)-【学霸笔记·同步精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本高中物理讲义聚焦热力学第二定律核心知识点，系统梳理自然过程的方向性（传热、扩散、机械能与内能转化），阐释克劳修斯表述和开尔文表述，延伸至能量耗散、品质降低及熵增加原理，构建完整知识支架。 资料通过判断辨析、例题解析及分层练习，助力学生理解定律内涵，培养科学推理与论证能力。结合能源可持续发展案例，渗透科学态度与责任，课中辅助教师突破抽象概念教学，课后帮助学生巩固知识、查漏补缺。

第4节　热力学第二定律 1．知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。具有方向性的过程是不可逆的。 2．理解热力学第二定律的两种表述。 3．学会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。　 一、热力学第二定律 1．传热的方向性 (1)热量可以自发地由____________物体传到____________物体。 (2)热量不能自发地由____________物体传到____________物体。 (3)传热过程是有____________的。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不能自发地从____________物体传到____________物体。(该表述阐述的是传热的方向性) 3．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)热机的效率：热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分要排放给低温热库，即W＜Q。 4．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) 注意：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．能量耗散 能量在________上虽然守恒，但其转移和转化却具有________。在各种各样的活动中，其他形式的能最终都转化成________流散到____________中，再也不能自动聚集起来驱动机器做功了，这种转化过程叫作能量耗散。 2．能量品质降低 机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的能量的品质要__________。所谓能源，其实是指具有高品质的容易利用的储能物质。能源的使用过程中虽然能的总量__________，但能量的__________下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 三、熵与熵增加原理 1．熵可用来表达一个系统的________，系统从有序向无序的发展过程中熵在________。 2．在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。在________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，这就是熵增加原理。 3．自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。 判断下列说法是否正确。 (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品质降低。(　　) (6)为了可持续发展，必须节约能源。(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√ [答案自填] 高温　低温　低温　高温　方向性　低温　高温　化学能　内能　做功 机械能　完全变成功　等价　数量　方向性　内能　周围的环境　高　保持守恒　品质 无序程度　增加　自发 知识点一　热力学第二定律 1．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，因而会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，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体。 (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停下来，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)气体向真空中的膨胀具有方向性 气体可自发地向真空容器中膨胀，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．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；内燃机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中。 根据能量守恒有Q1＝W＋Q2。 (3)热机的效率 把热机做的功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η＝。 因为Q1＝W＋Q2，所以Q1＞W，η＜1。 这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中。 　(1)热机必须有热源和冷凝器。 (2)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。 3．两类永动机的比较 比较项目 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不消耗任何能量，可以不断地做功(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 角度1　热力学第二定律的理解 　(多选)下列哪些过程具有方向性(　　) A．热传递过程 B．动能向势能的转化过程 C．气体的扩散过程 D．气体向真空中的膨胀过程 [解析]　热传递、气体的扩散和气体在真空中的膨胀都是与热现象有关的宏观自然过程，由热力学第二定律可知，它们都具有方向性，故A、C、D正确；动能向势能的转化与热现象无关，不具有方向性，故B错误。 [答案]　ACD 　(2024·广东汕头一模)半导体掺杂对于半导体工业有着举足轻重的作用，其中一种技术是将掺杂源物质与硅晶体在高温(800到1 250摄氏度)状态下接触，掺杂源物质的分子由于热运动渗透进硅晶体的表面，温度越高掺杂效果越显著，下列说法正确的是(　　) A．这种渗透过程是自发可逆的 B．硅晶体具有光学上的各向同性 C．这种渗透过程是分子的扩散现象 D．温度越高掺杂效果越好是因为温度升高时，所有分子的热运动速率都增加 [解析]　掺杂源物质的分子由于热运动渗透进硅晶体的表面，所以这种渗透过程是分子的扩散现象，该过程为自发过程，其逆过程不能自发进行，故A错误，C正确；由于硅晶体的晶格结构，硅晶体具有光学上的各向异性，故B错误；温度越高掺杂效果越好是因为温度升高时，分子的平均速率增大，并不是所有分子的热运动速率都增加，故D错误。 [答案]　C 角度2　热力学定律的理解和应用 　下列关于热力学定律和能量守恒定律的说法，正确的是(　　) A．由于能量是守恒的，所以不需要节约能源 B．气体吸收热量的同时对外做功，内能可能不变 C.热量不能从低温物体传到高温物体 D．热不能全部转为功 [解析]　能量虽然守恒，但可利用的资源是有限的，需要节约能源，故A错误；由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知气体吸收热量的同时对外做功，内能可能不变，故B正确；根据热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，但若通过外力做功是可以把热量从低温物体转移到高温物体的，例如冰箱制冷，故C错误；热可以全部转变为功，但会引起其他变化，故D错误。 [答案]　B 角度3　第二类永动机 　(2024·新疆乌鲁木齐联考期末)下列说法正确的是(　　) A．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 B．效率为100%的热机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律 C．不可能从单一热源吸收热量使之完全变成功，而不产生其他影响 D．第二类永动机不可能成功的原因是违反了能量守恒定律 [解析]　根据热力学第二定律可知，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在以消耗其他能量为代价的条件下，热量也可以从低温物体传到高温物体，故A错误；效率为100%的热机不可能制成，没有违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故B错误；根据热力学第二定律可知，不可能从单一热源吸收热量使之完全变成功，而不产生其他影响，故C正确；第二类永动机不可能成功的原因是违反了热力学第二定律，并不是违反了能量守恒定律，故D错误。 [答案]　C 知识点二　能量耗散和品质降低 1．能量耗散 各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的，能量耗散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。 2．能量品质的降低 能量耗散虽然不会使能量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。内能较之机械能、电能、光能、核能等是一种低品质能量。 　(2024·浙江台州期末)关于能源，下列说法正确的是(　　) A．太阳能是一种清洁能源 B．煤炭和石油是可再生能源 C．水能、风能是不可再生能源 D．核废料没有放射性，对环境污染极小 [解析]　太阳能是一种清洁能源，故A正确；煤炭和石油是不可再生能源，故B错误；水能、风能是可再生能源，故C错误；核废料具有放射性，对环境污染极大，故D错误。 [答案]　A 　(多选)关于能量和能源，下列说法正确的是(　　) A．化石能源是清洁能源；水能是可再生能源 B．能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性 C．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源 D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质降低了 [解析]　化石能源在燃烧时放出二氧化硫、二氧化碳等气体，会形成酸雨和温室效应，破坏生态环境，不是清洁能源，水能是可再生能源，故A错误；能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性，故B正确；有一些重要的不可再生能源是可以被用完的，所以在能源的利用过程中，需要节约能源，故C错误；能量耗散现象说明，在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质降低了，例如内燃机燃烧汽油把化学能转化为机械能，最终机械能又会转化为内能，而最终的内能人们很难再重新利用，所以我们说能量的品质下降了，故D正确。 [答案]　BD 1．(热力学第二定律)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，热量可以自发地由低温物体向高温物体传递 C．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 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 解析：选D。热运动的宏观过程会有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不能都真的发生，根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，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，故A错误，D正确；空调的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递，但要引起其他变化，故B错误；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，而是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，故C错误。 2．(热力学第二定律)(多选)下列说法正确的是(　　) A．第一类永动机不可能制成，因为它违反了能量守恒定律 B．第二类永动机不可能制成，因为它违反了热力学第一定律 C．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的 D．热力学第二定律的两种表述是等价的 解析：选ACD。第一类永动机不可能制成，因为它违反了能量守恒定律，A正确；第二类永动机不可能制成，因为它违反了热力学第二定律，但不违反热力学第一定律，B错误；热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的具体体现，热力学第二定律强调了宏观热现象的方向性，两者是相互独立的，故C正确；热力学第二定律的两种表述都说明所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性，所以说热力学第二定律的两种表述是等价的，故D正确。 3．(能量耗散和品质降低)中央提出了“推进绿色发展、循环发展、低碳发展”的理念。下列有关新能源和能量观的描述正确的是(　　) A．外出旅游时，尽可能选择自驾出行 B．核能是高效能源，在使用时要注意防范核泄漏事故 C．水能和风能来源于太阳能，是不可再生能源 D．根据能量守恒可知，担心能源危机是杞人忧天 解析：选B。外出旅游时，尽可能选择公共交通工具出行，可以减小污染，节约能源，A错误；核能是一种清洁高效的能源，核能的和平开发和利用对人类经济社会的发展做出了巨大的贡献，而核泄漏事故的发生又会造成一定的灾难，所以使用时要注意防范核泄漏事故，B正确；水能和风能来源于太阳能，是可再生能源，C错误；能量虽然守恒，但是可利用的能源是有限的，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $