第3章 4 热力学第二定律-【成才之路·学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步新课程学习指导(人教版)

074 4.热力学第二定律 ●目标重点展示 素养目标 学习重点 (1)通过对宏观自然过程的分析，理解与热现象有关的 宏观自然过程的方向性。 物理观念 (2)理解热力学第二定律的两种表述，理解第二类永动 机不能制成的原因。 (1)热力学第二定律的理 (3)了解能量耗散和品质降低的内容，能解释相关现象。 解与应用。 (2)热力学第二定律的实 学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移 科学思维 质。 及方向性问题，提高分析推理能力。 通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100% 科学探究 的实质，学会与他人交流、合作，提高探索科学的能力。 探究点1热力学第二定律 ●新知导学 [提示] 不能；扩散现象具有 情境：一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀 方向性，是不可 地变黑。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是 逆的。 另一种状态。 [拓展] 探究：水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而 什么叫可逆过程？什 其余部分又变成清水？这说明扩散现象有什么特点？ 么叫不可逆过程？ P[提示] 提示：一个系统，由 某一状态出发，经过 ●要点归纳 某一过程到另一状 1.热现象的方向性 态，如果存在另一过 (1)内容：一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的，即与热现 程，它能使系统和外 界完全复原（即系统 象有关的宏观自然过程有 性。 ●[拓展] 回到原来的状态，同 (2)热力学过程的方向性实例 时消除了原来的过程 热量能自发传给 对外界引起的一切影 ①高温物体、 热量不能自发传给 低温物体。 响)，则原来的过程 能自发地完全转化为 称为可逆过程；反 ②机械能 内能。 不能自发地完全转化为 之，如果用任何方法 能自发膨胀到 都不能使系统和外界 ③气体体积V,不能自发收缩到 气体体积2(V,大于V)。 完全恢复，则称为不 不资混合气体B。 可逆过程。 ④不同气体A和B 075 2.热力学第二定律 [理解] (1)热力学第二定律的克劳修斯表述： 在热力学第二定律的 表迷中，“自发地” 热量不能 地从 温物体传到 温物体。阐述的 “不产生其他影响” 是传热的 性。 “单一热库”的含义 (1)“自发地”指明 (2)热力学第二定律的开尔文表述： 了传热等热力学宏观 ①热机 现象的方向性，不需 要外界提供能量。 1)热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把 高温热库 (2)“不产生其他影 燃料中的 变成工作物质的 ；第二个阶 0 响”的含义是发生的 热力学宏观过程只在 段是工作物质对外 ,把自己的内能的一部分变 本系统内完成，对周 成 ;另一部分向低温热库散热，如图所示 低温热库 围环境不产生热力学 热机工作时的能流分配 2)热机用于做功的热量一定 它从高温热库 方面的影响，如吸 热、放热、做功等。 吸收的热量，即W Q。 (3)“单一热库”： 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 指温度均匀并且恒定 不变的系统。 ,而不产生其他影响。（该表述阐述了机械能与内能转化的方 [思考] 向性) 电冰箱通电后箱内温 度低于箱外温度，并 3.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是 (选填“等 且还会继续降温，直 价”或“不等价”)的。 至达到设定的温度。 显然这是热量从低温 4.热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的 [理解] 物体传递到了高温物 [判断正误] 体。这一现象是否违 背热力学第二定律 (1)温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传向低温物体。 呢？为什么？ ( (2)一切与热现象有关的微观自然过程都是不可逆的。 ( (3)在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体。 (4)可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不产生其他影响。 ( (5)机械能全部变成内能是不可能的。 ) D[思考] 提示：不违背。电冰 箱工作时热量的确从 例1：（多选）根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是 ( ) 低温物体（冰箱内的 A.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 食品)传到了高温物 温物体 体（冰箱外的空气）， 但是这不是自发的过 B.热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高 程，这个过程必须有 温物体 内能全部转化为机械能而不引起其他变化 第三者的介入，即压 C.机械能可以全部转化为内能违背了热力学第二定律，不可能实现 缩机消耗电能，对制 D.内能可以全部转化为机械能而不引起其他变化 冷系统做了功。 借助外界的帮助可以从低温物体传到高温物体。 [规律方法] 但不是自发的，不违背热力学第二定律 (1)一切物理过程均 遵循能量守恒定律， ●[规律方法] 但遵循能量守恒定律 的物理过程不一定均 能实现。 076 跟踪训练1：（多选）根据热力学第二定律，下列说法正确的是（ ）(2)热力学第二定律 的两种表述分别对应 A.热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 着一种“不可能”， 但都有一个前提条件 B.电能不可能全部转变成内能 “自发地”或“不产 C.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能 生其他影响”，如果 去掉这种前提条件， 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 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 探究点2，能源是有限的 传到高温物体，气体 等温膨胀就是从单一 热库吸收热量，使之 完全用来做功，但不 ●新知导学 是自发地或是产生了 其他影响。 情境：水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用 [提示] （1)做功。 石头制成，分上下两片，呈圆形。流动的水带动水磨做 (2)内能品质低。 功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食 [思考] 由能量守恒可知，能 的温度升高，水流的一部分机械能转变成了磨盘和粮食 量在转化和转移的过 程中，总能量是不变 等的内能。 的，那么为什么我们 还要节约能源呢？ 探究：(1)分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？ 提示：各种形式的能 (2)这些内能最终流散到周围的环境中，但我们没有办法把这些流散的 最终都转化为内能， 分散到周围的环境 内能重新收集起来加以利用，可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？ 中，根据热力学第二 定律，分散在环境中 P[提示] 的内能不管数量多么 巨大，它也只不过能 使地球、大气稍稍变 ●要点归纳 暖一点，却再也不能 自动聚集起来驱动机 1.能源：具有 的容易利用的储能物质。 器做功了。从可被 利用的价值来看，内 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 能较之机械能、电能 动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”。 等，是一种低品质的 能量，由此可知，能 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， 量耗散虽然不会导致 能量的总量减少，却 减少了。 P[思考] 会导致能量品质的降 低，所以要节约 例2：下列说法不正确的是 能源。 ( [规律方法]能量与 A.能量耗散导致能量的品质降低 能源的区别 1.能量是守恒的，既 B.能量耗散是指分散在环境中的内能很难被人类再回收利用 不会增加也不会 减少。 C.能量耗散使能量总量减少，违背了能量守恒定律 2.能源是能够提供可 D.各种形式的能量在一定条件下向内能的转化，是能够全额发生的 利用能量的物质。 3.能量耗散，能量总 [规律方法] 量不变，但能量品质 会下降，即能源减 少，故我们要节约能 源。 077 素养能力提升拓展整合·启智培优 1.热力学第一定律与第二定律的比较 项目 热力学第一定律 热力学第二定律 定律揭示的 它从能量守恒的角度揭示了功、热量和 它指出自然界中出现的宏观过程是有方 问题 内能改变量三者间的定量关系 向性的 机械能和内 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化 内能不可能在不引起其他变化的情况下 能的转化 为内能 全部转化为机械能 热量可以从高温物体自发地传到低温 热量不能自发地从低温物体传到高温 热量的传递 物体 物体 表述形式 只有一种表述形式 有多种表述形式 两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所 联系 遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 2.第一类永动机和第二类永动机的比较 第一类永动机 第二类永动机 不需要任何动力或燃料，却能不断地对 从单一热源吸收热量，使之完全变成功， 特点 外做功 而不产生其他影响 不可能制 不违背能量守恒定律，但违背热力学第 违背能量守恒定律 成的原因 二定律 例3：关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是 A.第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律 B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律 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，从单一热库吸收热量，完 全变成功也是可能的 跟踪训练2：下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有 不违背热力学 第一定律、但违背热力学第二定律的有 。(填正确答案标号) A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热 B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低 C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响 D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[16]探究点2能量守恒定律永动机不可能制成 1.(1)产生消失转化转移保持不变 2.(1)动力燃料(2)能量守恒定律 判断正误 (1)×(2)V(3)×(4)V(5)V 例2：CD自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错误；功是 能量转化的量度，做同样的功，消耗同样电能，B错误，D正 确；由变频空调的工作特点可知省电的原因是效率高，C 正确。 例3：1.5×109W 解析：水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。 尼亚加拉瀑布每秒钟流下的水的质量 m=pV=1×103×6000kg=6×10°kg, 每秒钟水减少的机械能 E=mgh=6×10°×10×50J=3×109J, 设发电机的输出功率为P,则由能量守恒定律 可得En=Pt, 解得P=3×10°×50%W=1.5×10°W。 跟踪训练2：B抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀分布， 其重心升高，重力势能增加。由能量守恒定律知，增加的重力 势能由内能转化而来，所以内能的增量小于吸收的热量，故选 项B正确。 例4：ABD第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对 外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第 定律，也违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故 A、B、D正确。 专题强化2热力学第一定律与气体状态 方程的综合应用 提升点1热力学第一定律与气体状态方程的综合 问题 例1：(1)号7。(2)写4(s+mg)+写7。 解析：)气体进行等压交化，则由盖吕萨克定律得=广门 (h+)s To T 解得1=号1。 (2)此过程中气体内能增加A=CaT=号C 气体对外钱功大小为W=pAh=写A(%S+mg) 由热力学第一定律可得此过程中容器内气体吸收的热量 Q=A0+W=(n,s+me)+5C。 跟踪训练1：(1)450K(2)1000J 解析：(1)汽缸口水平朝右时为初状态，此时汽缸内气压等于 大气压，则 2 p1=po=1.0×105Pa,y=L1S=1.2×10-2m3。 汽缸口竖直向上时对活塞进行受力分析，受大气竖直向下的 压力，自身的重力以及汽缸中气体竖直向上的支持力，则 m=%+5=1.2×10Pa, 汽缸缓慢逆时针转动过程中气体做等温变化，则P1V=P2V2, 气体缓慢加热过程中气体做等压变化， 为壳-只展立好得7-460K。 (2)对气体缓慢加热过程中，气体做等压膨胀， 对外做功W=-P2(LS-V2)=-600J, 根据热力学第一定律得△U=W+Q,解得△U=1000J。 提升点2热力学第一定律与状态变化图像的综合 问题 例2：Aca是一条过原点的倾斜直线，斜率一定，则表明气体由 状态c到状态a发生的是等压变化，A正确：对c→a过程有 T=,解得T,=600K,B错误；气体由状态c到状态a过 程，体积减小，外界对气体做正功，C错误；气体由状态c到状 态a过程为等压过程，气体体积减小，外界对气体做功为W =po(2V。-V)=100J。气体由状态b到状态c为等容变化， 吸收的热量等于增加的内能，即△Ue=100J,根据图像状态a 与状态b温度相等，内能相等，即△Um=-△U=-100J,气 体由状态c到状态a过程，根据热力学第一定律有AU=W +Q'=-100J,解得Q'=-200J,即气体由状态c到状态a 气体放出的热量为200J,D错误。 跟踪训练2：AD1→2为绝热过程，根据热力学第一定律△U= Q+W可知此时气体体积减小，外界对气体做功，故内能增 加，故A正确；23为等压过程，根据盖一吕萨克定律可知气 体体积增大时温度升高，内能增大，此时气体体积增大，气体 对外界做功W<0,故气体吸收热量，故B错误；3→4为绝热 过程，此时气体体积增大，气体对外界做功W<0,根据热力学 第一定律可知气体内能减小，故C错误；4一→1为等容过程，根 据查理定律可知压强减小时温度降低，故内能减小，由于体积 不变W=0,故可知气体向外放热，故D正确。故选AD。 4.热力学第二定律 探究点1热力学第二定律 要点归纳 1.(1)不可逆方向 2.（1)自发低高方向 (2)化学能内能做功机械能小于<完全变成功 3.等价4.方向性 判断正误 (1)V(2)×(3)V(4)×(5)× 例1：BC根据传热的方向性可知，热量可以自发地从高温物体 传到低温物体，但不能自发地从低温物体传到高温物体，如果 借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，故A错 误，B正确；机械能可以全部转化为内能（如一个运动物体克 8 服摩擦力做功且最终停止运动时，机械能全部转化为内能)， 内能无法全部转化为机械能而不引起其他变化，故C正确，D 错误。 跟踪训练1：ACD热力学第二定律指明了一切与热现象有关的 宏观自然过程都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行 能量转化，根据热机工作原理，热机工作时从高温热库吸热， 部分对外做功，一部分产生热量排出，热机的机械效率总小 于100%，故A正确：火力发电机发电时，能量转化的过程为 内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对 外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，故C正 确；热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助 外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律克 劳修斯表述的主要思想，故D正确；由电流热效应中的焦耳定 律可知，电能可以全部转化为内能，故B错误。 探究点2能源是有限的 要点归纳 1.高品质3.能源 例2：C能量耗散是能量在转化过程中以内能的形式发散到周 围环境中，使得能量品质降低，且耗散在环境中的内能很难被 人类再利用，但能量耗散遵守能量守恒定律，另外，各种形式 的能量在一定条件下向内能转化是能够全额发生的，故A、B、 D正确，C错误。 素养能力提升 例3：D第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背 热力学第二定律，A、B错误：由热力学第一定律可知W≠0， Q≠0，但△U=Q+W可以等于0，C错误；由热力学第二定律 可知选项D中的现象是可能的，但会产生其他影响，D正确。 跟踪训练2：BC汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散 热，既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律；冷水 倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，违背了热力学 第一定律：热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功， 而不产生其他影响，显然C选项遵循热力学第一定律，但违背 了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，可以从箱内低温环 境中提取热量散发到温度较高的室内，是因为有压缩机做功】 既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律。 章末整合素养提升 知识网络构建 WQW+Q><><><形式物体保 持不变能量守恒定律自发单一热库热力学第二定律 能量耗散 高考真题专练 1.A皮球体积变大，气体膨胀，对外界做功，故A正确；太阳曝 晒使气体温度升高，是外界对气体传热（气体吸热），而非气 体向外界传递热量，故B错误；皮球未漏气，分子总数不变，体 积变大，分子的数密度减小，故C错误；温度升高，分子平均动 能增大，但并非每个分子速率都增大，只是“平均”情况，故D 错误。故选A。 .209 2.ACD初始状态活塞受到左侧气体向右的压力和弹簧向左的 弹力处于平衡状态，弹簧处于压缩状态。因活塞密封不严，可 知左侧气体向右侧真空漏出。左侧气体压强变小，右侧出现 气体，对活塞有向左的压力，最终左、右两侧气体压强相等，且 弹簧恢复原长，故A正确；由题知活塞初始时静止在汽缸正中 间，但由于活塞向左移动，左侧气体体积小于右侧气体体积， 则左侧气体质量小于右侧气体质量，故B错误：密闭的汽缸绝 热，与外界没有能量交换，但弹簧弹性势能减少了，可知气体 内能增加，故C正确；初始时气体在左侧，最终气体充满整个 汽缸，则初始左侧单位体积内气体分子数应该是最终左侧的 两倍，故D正确。故选ACD。 3.Cab过程压强不变，是等压变化且体积增大，气体对外做 功W<0,由盖一吕萨克定律可知T4>T。,即内能增大，△U> 0,根据热力学第一定律△U=Q+W可知αb过程，气体从外 界吸收的热量一部分用于对外做功，另一部分用于增加内能， A错误；方法一：b→c过程中气体与外界无热量交换，即Q= 0,又由气体体积增大可知W<0,由热力学第一定律△U=Q +W可知气体内能减少。方法二：c→a过程为等温过程，所以 T=T,结合T,>T.分析可知T>T。,所以b到c过程气体的 内能减少，B错误；c→a过程为等温过程，可知T。=T.,△U= 0,根据热力学第一定律可知a→b→c过程，气体从外界吸收 的热量全部用于对外做功，C正确：根据热力学第一定律结合 上述解析可知：a→b→c→a一整个热力学循环过程△U=0,整 个过程气体对外做功，因此由热力学第一定律可得△U=Q -Q-W=0,故a→b过程气体从外界吸收的热量Q不等于 c→a过程放出的热量-Qm,D错误。故选C。 4.ACDA→B过程，体积不变，则W=0,温度升高，则△0>0， 根据热力学第一定律△U=W+Q,可知Q>0,即该过程吸热， 选项A正确：B→C过程，温度不变，则△U=0,体积减小，则 W>0,根据热力学第一定律△U=W+Q,可知Q<0,即该过程 为放热过程，选项B错误；A→B过程，体积不变，温度升高，根 据光-C,可知，压强变大，即状态A压强比状态B压强小，选 项C正确：状态A的温度低于状态C的温度，可知状态A的内 能比状态C的小，选项D正确。故选ACD。 5.(1)3.3×103Pa(2)6.6×10J 解析：(1)气体可视为理想气体， 限据理港气体状态方型兴岩 -pT,=3.3×10Pa 整理代入数据得P=T,Y, (2)p-V图线与y轴围成的面积代表做功的大小，该过程气 体体积增大，则气体对外做功， 可得外界对气体做功为W=-严(5，-y)=-1.008× 2 104J 由热力学第一定律△U=Q+W 代入数据可得△U=6.6×104J。