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

3.4 热力学第二定律 学案 2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册 学号： 班级： 姓名： 【学习目标】 1. 了解热传递过程的方向性． 2. 理解热力学第二定律． 3. 知道第二类永动机不可能制成． 【活动方案】 1. 思考并讨论以下问题： (1)水的温度能否自发地降低而使鸡蛋温度上升，变成熟蛋？ (2)均匀黑水中的小炭粒能否自发地聚集在一起成为一滴墨水？ (3)静止的足球和地面、周围的空气能否自发地降低温度释放内能，并将释放的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来？ (4)从钢瓶溢出的气体能否自发地进入钢瓶，而使瓶内的压强变大？ 2. 总结：一切与热现象有关的自然宏观过程的方向都具有怎样的特点？ 3. 下列说法错误的是(　　) A. 热量能自发地从高温物体传到低温物体 B. 热量不能从低温物体传到高温物体 C. 热传递是有方向性的 D. 气体向真空中膨胀的过程是有方向性的 1. 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体． (1)物理实质： (2)“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”这一说法是否正确？为什么？ (3)思考下列问题： ①分析冰箱中的冰激凌在停电时融化的原因． ②分析冰箱里的冰激凌在冰箱正常工作时并没有融化的原因，讨论热量只能从高温物体传递到低温物体这种说法是否妥当？ 2. 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Ｗ．阅读教材有关热机的内容，思考热机的效率能否达到100%? 3. 试说出热力学第二定律两种表述的异同． 4. (1)根据热力学第二定律，下列判断正确的是(　　) A. 电流的能不可能全部变为内能 B. 在火力发电机中，燃气的内能可能全部变为电能 C. 热机中，燃气的内能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到高温物体 (2)下列过程中可能发生的是(　　) A. 某种物质从高温热源吸收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，其内部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，高温物体的温度更高 D. 将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开 5. 我们已知道，能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性．所谓能源，是指具有高品质的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等．试说明能源是有限的． 1. 地球上海水的总质量达1.4×1021 kg，如果把这些海水的温度降低 1 ℃，放出的热量就达9×1018 kW·h，足够全世界使用4 000年．从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，叫作第二类永动机．但第二类永动机是不可能制成的，是因为(　　) A. 违背了能量的守恒定律 B. 热量总是从高温物体传递到低温物体 C. 机械能不能全部转化为内能 D. 内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 2. 试比较第一类永动机和第二类永动机的异同． 3. （选学）阅读教材中的“拓展学习”，知道熵与熵增加原理． 【检测反馈】 1. 下列说法中正确的是(　　) A. 涉及热现象的宏观过程有的没有方向性 B. 一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C. 由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行 D. 一切物理过程都不可能自发地进行 2. 下列说法中正确的是(　　) A. 机械能全部变成内能是不可能的 B. 第二类永动机不可能制造成功是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式 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成功是可能的 3. 用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（图甲），现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器（图乙），这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法正确的是(　　) 甲 乙 A. 自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动 B. 自由膨胀前后，气体的压强不变 C. 自由膨胀前后，气体的温度不变 D. 容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到A部分 4. 如图所示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．下列说法中正确的是(　　) 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. 电冰箱的工作原理违背了热力学第二定律 D. 电冰箱的工作原理违背了热力学第一定律 （第4题） （第5题） 5. 用两种不同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，正确的说法是(　　) A. 这一实验过程违反热力学第二定律 B. 在实验过程中，热水一定降温，冷水一定升温 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 6. 如图所示，汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法中正确的是(　　) A. 气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违反热力学第二定律 B. 气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律 C. 气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律 D. 以上三种说法都不对 7. PM2.5主要来自化石燃料、生物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高效地利用能源．关于能源和能量，下列说法中正确的是(　　) A. 自然界中的石油、煤炭等能源可供人类永久使用 B. 人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源 C. 能量被使用后就消灭了，所以要节约能源 D. 能量耗散说明自然界的能量在不断减少 8. 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流散的能量重新收集、重新加以利用．下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　) A. 能量耗散说明能量不守恒 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的方向性 9. 如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，其中A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程．这就是热机的“卡诺循环”则(　　) A. A→B过程说明，热机可以从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化 B. B→C过程中，气体分子在单位时间内碰撞单位面积器壁的平均冲量增大 C. C→D过程中，气体的内能增大 D. 整个循环过程中，气体从外界吸收热量 10. 利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离．如图所示，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成．高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位．气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出．下列说法错误的是(　　) A. A端为冷端，B端为热端 B. A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的 C. A端流出的气体内能一定大于B端流出的 D. 该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律 11. 瀑布从20 m高处以103 m3/s的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以2 m/s的速度流出，水轮机再带动发电机发电．如果水的机械能转化为电能的效率是80%，那么发电机发出的电功率有多大？（瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2，ρ水＝1×103 kg/m3） 【参考答案】 【活动方案】 活动一： 1. 均不能． 2. 不可逆． 3. B　如果是自发地进行，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A、C正确，B错误；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性的，D正确．故选B. 活动二： 1. (1)热传递过程是不可逆的． (2)这一说法是不正确的．热力学第二定律只是说热量不能自发地从低温物体传到高温物体，略去了“自发地”，通过外力做功是可以把热量从低温物体传到高温物体的，例如电冰箱的制冷就是这一情况．显然这已引起了其他的变化． (3)① 热量可以从高温物体传递到低温物体． ②热量从高温物体向低温物体传递是一个自发的过程，热量从低温物体向高温物体转移需要其他的物理过程参与，这种说法不妥当． 2. 以内燃机为例，汽缸中的气体燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，由能量守恒定律可知Q1＝W＋Q2.实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量，所以有Q1>W.所以热机的效率达不到100%. 3. 热力学第二定律的两种表述是等效的，只是侧重角度不同：克劳修斯表述体现热传导的方向性，开尔文表述体现机械能和内能之间转化的方向性． 4. (1)D　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，电流的能可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能．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到低温物体，而不能自发地从低温物体传递到高温物体，所以D正确． (2)C　根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递到高温物体，而不引起其他的影响，但通过一些物理手段是可以实现的，故C正确；内能转化为机械能不可能自发地进行，要使内能全部转化为机械能必定要引起其他变化，故A错误；气体膨胀具有方向性，故B错误；扩散现象也有方向性，故D错误． 5. 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．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． 活动三： 1. D　第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但却违背了涉及热现象的能量转化过程是有方向性的规律，故A错误；在引起其他变化的情况下，热量也可由低温物体非自发地传递到高温物体，B错误；机械能可以全部转化为内能，如物体克服摩擦力做功的过程，C错误；显然D为正确的表述． 2. 它们都不可能制成．第一类永动机的设想违背了能量守恒定律；第二类永动机的设想不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律． 【检测反馈】 1. C　能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A错误；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错误；在热传递的过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C正确，D错误． 2. D 3. C　理想气体在绝热的条件下，向真空部分自由膨胀的过程是一个既与外界没有热交换，又没有对外做功的过程，根据热力学第一定律可以确定气体的内能不变，而理想气体的分子势能为0，即分子动能不变，温度不变．故C正确． 4. B　电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，这个过程不是自发进行的，所以不违背热力学第二定律，C错误；热力学第一定律适用于所有的热学过程，D错误；热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，要想使热量从低温物体传递到高温物体必须借助于其他系统做功，A错误，B正确． 5. B　温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，转化效率低于100%，不违反热力学第二定律，热水温度降低，冷水温度升高，回路中电阻也会消耗部分电能，故B正确，A、C、D错误． 6. C　由于汽缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动的过程中，有足够的时间进行热交换，所以汽缸内的气体温度也不变．要保持其内能不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律．此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能发生．故C正确． 7. B　煤、石油虽然是当今人类利用的主要能源，但不能短期内从自然界得到补充，是不可再生能源，A错误；太阳能和风能，包括水能等都是可再生能源且为清洁能源，应该尽量开发与利用，B正确；能量虽然守恒，但有些能量使用以后不能再被利用，所以要节约能源，但能量是不会减少的，也不会被消灭掉，只是形式发生转变，C、D错误． 8. D　能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学第二定律，故D正确． 9. D　根据热力学第二定律可知，不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，A错误；B→C过程中，绝热膨胀，气体对外做功，内能减小，温度降低，分子的平均动能减小，压强变小，单位时间内气体分子对器壁单位面积的冲量I＝pSΔt，气体分子在单位时间内碰撞单位面积器壁的平均冲量减小，B错误；C→D为等温过程，温度是理想气体的内能大小的标度，故温度恒定，内能不变，C错误；整个循环过程中，气体对外做功，从状态A回到状态A，温度相同，根据热力学第一定律可知气体必从外界吸收热量，D正确． 10. C　依题意，中心部位为热运动速率较低的气体，与挡板相作用后反弹，从A端流出，而边缘部分为热运动速率较高的气体从B端流出；同种气体分子平均热运动速率较大、其对应的温度也就较高，所以A端为冷端、B端为热端，故A正确；依题意，A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，所以从A端流出的气体分子热运动平均速度小于从B端流出的，故B正确；A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，则从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能，内能的多少还与分子数有关；依题意，不能得出从A端流出的气体内能一定大于从B端流出的气体内能，故C错误；该装置将冷热不均气体进行分离，喷嘴处有高压，即通过外界做功而实现的，并非自发进行，没有违背热力学第二定律；温度较低的从A端出、较高的从B端出，也符合能量守恒定律，故D正确．故选C. 11. 设t时间内流下的水的质量为m，m＝103×ρt， 以m为研究对象，竖直下落后减少的机械能为mgh－mv2， 转化为电能的功率为 P＝＝， 代入数据解得P＝1.584×105 kW. 学科网（北京）股份有限公司 $