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

该高中物理课件聚焦热力学第二定律，涵盖两种表述、能量耗散及能源有限等核心内容。通过颜料扩散、覆水难收等情境导入，引导学生观察宏观过程的方向性，搭建从生活现象到物理规律的学习支架，衔接能量转化与守恒的前序知识。 其亮点在于以“观察-思考-辨析”为主线，通过热机效率分析、永动机辨析等问题链培养科学思维，结合三峡风电场案例渗透科学态度与责任。采用情境教学和实例论证，帮助学生构建能量观念，教师可借助结构化小结提升教学效率，学生能深化对规律的理解与应用。

第三章 热力学定律 4 热力学第二定律 High school physics 能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题。 02 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。 01 重点 理解能量耗散，知道能源是有限的。 03 难点 一滴彩色颜料滴进一杯清水中扩散， 整杯水将均匀地变色。从系统的角 度来看， 扩散之前是一种状态，扩 散后是另一种状态。那么，水中扩 散后的颜料能否自发地重新聚集在 一起，而其余部分又变成清水？ 这说明了什么？ 说明扩散有方向性。 不能 公司logo 公司logo 情境导入 热力学第二定律 01 覆水难收 君不见黄河之水天上来 奔流到海不复回 大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性？ 公司logo 公司logo 观察与思考 热量自发地由高温物体向低温物体传递的过程是不可逆的  可能发生这样的逆过程吗？ 公司logo 公司logo 观察与思考 气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。 可能发生这样的逆过程吗？ 公司logo 公司logo 观察与思考 踢出的足球在地面上运动，最终可以停在地面上，能量如何转化？ 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，并将内能全部转化为足球的动能让足球又滚动起来？说明了什么？ 机械能转化为内能 不能 与热现象有关的宏观过程有方向性 公司logo 公司logo 观察与思考 热力学第二定律 1 热现象的方向性 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即与热现象有关的宏观自然过程有方向性 2 热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。阐述的是传热的方向性。 公司logo 公司logo 核心知识 从能量转化的角度看热机的工作，分为两个阶段： ①燃烧燃料 ②对外做功 热力学第二定律的开尔文表述： 3 热力学第二定律 工作物质把自己的内能变成机械能 燃料中的化学能变成工作物质的内能 公司logo 公司logo 核心知识 从能流分配的角度看热机工作： 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， 另一部分热量要排放给低温热库（冷凝器或大气）。即 W ＜ Q 燃料燃烧 冷凝器或大气 公司logo 公司logo 核心知识 燃料产生的热量Q 输出机械功W 漏气热损 散热热损 摩擦热损 W< Q 思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W ？ 即热机能否把内能全部转化为机械能？ 公司logo 公司logo 核心知识 高温热库T1 Q1 低温热库T2 Q2 热机 对外做功 W Q1：从高温热库吸收的热量 W：对外界所做的功 Q2：向低温热库散发的热量 根据能量守恒 Q1= Q2+W <100% 热机在工作过程中总有一部分热量散发到冷凝器或大气中， 热机不能把内能全部转化为机械能！ 公司logo 公司logo 核心知识 3 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，使之完全变成功，而不产生其他影响。 热力学第二定律 4 等价 热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的 5 实质 热力学第二定律揭示了宏观自然过程的方向性。 公司logo 公司logo 核心知识 1.传热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”？ 答案　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，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。 公司logo 公司logo 思考与讨论 2.如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题： (1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？ 答案　不是，热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。 (2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用于做功？ 答案　不能，热机工作时只能将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热库。 (1)只要满足能量守恒定律的物理过程都能实现。(　　) (2)由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。 (　　) (3)不可能从单一热库吸收热量，使之全部变成功。(　　) × × × 辨析 1.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 生其他影响 B.打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复原状 C.利用其他手段，使低温物体的温度更低，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 √ 例题 根据热力学第二定律，热量自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误； 气体膨胀具有方向性，不能自发逸出容器又自发跑进去，无法恢复原状，B错误； 根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可以实现的，C正确； 扩散现象有方向性，因此液体混合后不能自发地各自分开，D错误。 2.(多选)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是 A.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化 B.没有冷凝器，只有单一的热库，能从单一热库吸收热量全部用来做功， 而不引起其他变化的热机是可以实现的 C.制冷系统可将冰箱里的热量传到外界较高温度的空气中而不引起其他 变化 D.不可能使热量由低温物体传到高温物体，而不引起其他变化 √ √ 例题 热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性。机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外界的帮助，因而会引起其他变化，选项A正确，B错误； 热传导过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，但要从低温物体传到高温物体，必然会引起其他变化(外界对系统做功)，选项C错误，D正确。 1.一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。 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。 公司logo 公司logo 总结提升 热力学第一定律和热力学第二定律的比较 02 热力学两定律的比较   热力学第一定律 热力学第二定律 区别 是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的宏观自然过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机 联系 两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 公司logo 公司logo 核心知识   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 公司logo 公司logo 核心知识 3. 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 B C 例题 A项符合热力学第一、第二定律。冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或温度都不变， B项描述违背了热力学第一定律。 C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。 D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第二定律。 新知讲解 能源是有限的 03 自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。 柴薪时期 煤炭时期 石油时期 公司logo 公司logo 观察与思考 能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。 化学能→电能 电能→内能和光能 能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。 →耗散在环境中 公司logo 公司logo 观察与思考 1 能源：具有高品质的容易利用的储能物质 有限的能源 公司logo 公司logo 核心知识 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动机器做功。 3 能源减少 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。 有限的能源 机械能、光能、化学能、电能(高品质) 内能（低品质） 转化方向不可逆 公司logo 公司logo 核心知识 如图所示是宣传节约能源的图片。请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？ 答案　能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，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能量。 公司logo 公司logo 思考与讨论 4.(2024·无锡市高二期中)2023年3月15日，世界最高海拔风电场——三峡西藏措美哲古风电场累计发电量突破1亿千瓦时，相当于减排二氧化碳8.32万吨，节约标准煤3.05万吨。该项目于2021年底全面投产发电，总装机22兆瓦，与科研设计中发电量数据测算结果相比，提前2个多月达成“亿目标”。关于能源和能量，下列说法中正确的是 A.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 B.对能源的过度消耗会使自然界的能量不断减少，因而存在“能源危机” C.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 D.各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的 √ 例题 根据能量守恒定律可知，能量不会被创造，也不会消失，故A错误； 对能源的过度消耗不会使自然界的能量不断减少，能量是守恒的，但人类可利用的少了，因而存在“能源危机”，故B错误； 在能量转化过程中，虽然能量总量不减少，但品质降低了，故C正确； 各种能量在不转化时是守恒的，在转化时也是守恒的，故D错误。 新知讲解 热力学第二定律 能源是有限的 永动机 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体 第一类永动机违背能量守恒定律 第二类永动机违背热力学第二定律 能量的耗散：能量转变为内能后无法重新使用 能源是有限的资源 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 课堂小结 本课结束 Keep Thinking! Lavf59.6.100 $