第3章 第3节 热力学第二定律-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word(教科版)

第3节　热力学第二定律 1．知道热传递、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、自然界中宏观过程的方向性 1．热量总是从高温物体传向低温物体，而不能自发地从低温物体传向高温物体，____________具有方向性。 2．气体的扩散现象具有方向性。气体的自由膨胀过程也是一种扩散现象，具有方向性。 3．一个物体在粗糙的水平面上运动，最后停了下来。在这个过程中，物体的动能转化为物体、地面及周围空气的内能。但停下的物体、地面和周围的空气不能自发地释放内能，并将这些内能全部转化为物体的动能，使停下来的物体重新运动起来。这表明____________与内能之间的转化具有方向性。 4．一切与热现象有关的宏观自然过程都具有______________，其相反的过程是不可能________产生的。能够揭示宏观自然过程方向性规律的是热力学第二定律。 二、热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不可能自发地从________物体传递到________物体。需要注意的是，热量可以从低温物体传递到高温物体，但一定需要第三方的介入。 三、热力学第二定律的开尔文表述 不可能从________热源吸收热量，使之全部变成功，而不产生其他影响。 四、节约能源 地球上不可再生能源的储量是有限的，它的使用对环境产生了影响(如温室效应、酸雨、放射性污染等)。能源的使用过程降低了能量的品质，因此人们需要节约能源。 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] 热传递　机械能　方向性　自发　低温　高温　单一 知识点一　热力学第二定律 1．自然过程的方向性 (1)热传递具有方向性 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　自然过程的方向性 　(2024·上海奉贤期末)下列说法正确的是(　　) A．热量不可能由低温物体传给高温物体 B．气体的扩散过程具有方向性 C．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性 D．一切形式的能量间的相互转化都不具有方向性 [解析]　热量不能自发地由低温物体传给高温物体，但在引起其他变化的情况下可以由低温物体传给高温物体，故A错误；气体的扩散具有方向性，故B正确；并不是一切形式的能量的相互转化都具有方向性，比如动能可以转化为势能，势能也可以转化为动能，故C错误；并不是一切形式的能量的相互转化都不具有方向性，比如机械能与内能的转化就具有方向性，故D错误。 [答案]　B 角度2　热力学第二定律的理解 　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功 B．在一个可逆过程中，工作物质净吸热等于对外做的功 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 [解析]　根据热力学第二定律可知，可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，但是会引起其他的变化，故A错误；在一个可逆过程中，当工作物质回到初状态时，内能没有发生改变，根据热力学第一定律可得，工作物质净吸热等于对外做的功，故B正确；根据热力学第二定律可知，热可以全部转变为功，但是会引起其他的变化，故C错误；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递到高温物体，但有外界做功的话，可以从低温物体传递到高温物体，比如冰箱，故D错误。 [答案]　B 　(多选)电冰箱的工作原理示意图如图所示，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．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．电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律 [解析]　热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；根据热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，故A错误，B正确。 [答案]　BC 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。 角度1　能源问题 　目前，正在开发的新能源有(　　) A．煤 B．石油 C．天然气 D．氢能 [解析]　煤、石油和天然气属于三大化石燃料，也属于常规能源。氢能属于正在开发的新能源。 [答案]　D 　(多选)(2024·江西上饶统考期末)关于能源的分类与应用，以下说法正确的是(　　) A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能 B．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的 C．煤、汽油是一种清洁能源 D．水能是可再生能源 [解析]　煤、石油、天然气等化石燃料，是由古代动植物的遗体转化来的，而动植物体内的能量最初都可以追溯到太阳能，A正确；煤、石油等常规能源是不可再生资源，更是有限的，B错误；煤、汽油燃烧过程中都会产生有害物质(有毒气体)，C错误；水能是可再生能源，D正确。 [答案]　AD 角度2　能量耗散 　(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，加剧温室效应，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 知识点三　熵和熵增加原理 熵和熵增加原理 (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，就称这个系统的熵越大。 (2)系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少。也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。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。 (3)任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。 　(多选)关于熵，下列说法正确的是(　　) A．熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高 B．熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高 C．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序 D．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序 [解析]　在同一条件下不同物质有不同的熵值，熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高，相反地，熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序，A、D正确，B、C错误。 [答案]　AD 　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(如图甲所示)，现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如图乙所示)，这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法正确的是(　　) 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 [解析]　由分子动理论知，气体分子的热运动是永不停息地做无规则运动，故A错误；由能量守恒定律知，气体膨胀前后内能不变，又因一定质量理想气体的内能只与温度有关，所以气体的温度不变，故C正确；由＝常量可知，气体压强变小，故B错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界影响的情况下，容器中的气体不能自发地全部回到容器的A部分，故D错误。 [答案]　C 1．(热力学第二定律)(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：选ACD。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。 2．(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，不可能从单一热源取热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。 3．(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，因为它违反了能量守恒定律 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，但不违反能量守恒定律，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。 4．(熵和熵增加原理)(多选)从微观角度看，下列说法正确的是(　　) A.气体向真空的自由膨胀是可逆的 B．一个非孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展 C．一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大 D．出现概率越大的宏观状态，熵值越大 解析：选CD。一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。熵是用来描述系统大量分子运动无序性程度的物理量。在任何自然过程中，一个孤立的系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立的系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。对于一个非孤立的系统，在与外界有能量交换时其熵也有可能变小，故A、B错误，C、D正确。 5．(能量耗散和品质降低)(2024·浙江普陀中学期中)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，可以减少污染，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 $