3.3 能量守恒定律 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能量守恒定律与热力学第二定律，通过“光动小草”“饮水小鸭”等实物提问导入，复习能量形式后，结合焦耳热功当量等科学史及冲击摆实验，构建从能量转化到守恒定律再到方向性规律的知识支架。 其亮点在于融合科学史与实验探究，以能量观念为核心，通过科学思维中的模型建构（如热机效率公式）和科学论证（热力学第二定律两种表述等价性），结合“饮水小鸭非永动机”等实例分析。采用问题链驱动与例题变式练，学生能深化对能量转化方向性的理解，教师可提升教学效率。

完成一个小目标，需要一个大智慧！ 授课教师：李长青 3.3 -3.4节 能量守恒定律-热力学第二定律 人教版(2019)选必修 第三册 学习目标 1．知道人类对能量概念的逐步认识过程，理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵循的基本规律。知道第一类永动机是不可能实现的。 2．通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法。 3．能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，即自然界中的能量转化、转移以及方向性问题 4.了解能量与能源的区别以及能源的有限性。 1 复习回顾 2 新课导入 问题思考 1）“光动小草” 、“光压风车” 、“饮水小鸭”运动的原因？ 让“饮水小鸭”“喝”完一口水后，直立起来。直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，然后又会直立起来。如此循环往复......； 2）“光动小草” 、“光压风车” 、“饮水小鸭”能永远运动下去吗？ 学习任务一： 能量守恒定律 1、能量具有不同的形式： 2、各种能量可以相互转化： 不同形式的运动都可以用能量描述 用能量观念把 热、电、光、磁等统一描述； 描述热运动→内能 描述机械运动→机械能 描述光辐射→光能 描述电现象→电能 能量转化和守恒发展史 1789年 富伦德的实验 热的本质是运动 机械能转化为内能 电场能转化为磁场能 内能转化为电能 磁场能转化为电能 1820年 奥斯特发现 电流的磁效应 1821年 塞贝克发现 温差电现象 1831年 法拉第发现 电磁感应现象 1836年 盖斯 化学反应热 与步骤无关 测定 热功当量 提出能量守恒思想 概括总结 能量守恒定律 1841年 焦耳 1842年 迈尔 1847年 亥姆霍兹 探索能量守恒的足迹 探索能量守恒的足迹 迈尔 提出能量守恒的思想 盖斯 化学反应放出的热量与反应步骤无关 焦耳 功热等价 亥姆霍兹 概括和总结能量守恒定律 能量守恒不是由某一个人通过某一项的研究而得到的 3、能量守恒定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移过程中，能量的总量保持不变。 （1）意义： 能量守恒定律是一切自然现象都遵从的一条自然规律； 把原来人们认为互不相关的各种现象联系在一起、把表面上完全不同的各类运动统一在一个自然规律中. （2）能量守恒是自然界的普遍规律：能量守恒定律不同表现： 热学：热力学第一定律； 力 学：机械能守恒定律； 电学：闭合电路欧姆定律； 电磁感应：楞次定律； E初＝E终 或 △E增＝△E减 4.第一类永动机不可能制成 ① 永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。 （人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机） ② 历史上的永动机： 螺旋永动机 达·芬奇 滚球永动机 马尔基斯 软臂永动机 19世纪设计 螺旋永动机 弗拉德 磁力永动机 泰斯尼尔斯 ③ 最终结果：无一例外地归于失败。 ④失败的原因：违背了能量守恒定律。 ⑤永动机给我们的启示：人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。 永动机的演示 永动机研究 永动机模型 违背了能量守恒定律 例如：如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的。 讨论：回顾开始时的问题：饮水小鸭是永动机吗？ 原理：小鸭头部的毛毡“饮水”后，水蒸发吸热，导致头部温度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸气被液化，压强减小，液柱上升，小鸭重心上移，直到小鸭倾倒。 处于倾倒位置的小鸭，头部再次被浸湿，上下玻璃球内的气体相通，压强相等，乙醚流回下玻璃球内，重心下移，小鸭站立。 如此循环往复。 ●小鸭头部：“饮水”后，因水蒸发降温而使 内部气态乙醚液化； ●小鸭下部：液态的乙醚从周围环境中吸收 热量汽化。 学习任务评价一 【例1】如图所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度，则下面有关能的转化的说法中正确的是（ 　） A．子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能 B．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的势能 C．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能 D．子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能， 另一部分转变成沙箱和子弹的机械能 D 【例2】如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B 两部分气体，A 的密度小，B 的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则 (　　 ) A. ΔU＝Q B. ΔU<Q C. ΔU>Q D. 无法比较 解析:因A 部分气体密度小，B 部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能.故正确答案为B. B 【变式练】 如图所示，气缸放置在水平地面上，质量为m的光滑活塞将气缸分成甲、乙两气室，两气室中均充有理想气体。气缸、活塞是绝热的且不漏气。开始时活塞被销钉固定，现将销钉拔掉，活塞最终静止在距原位置下方h处，设活塞移动前后甲气室内气体内能的变化量为ΔU，不计气体重心改变的影响，下列说法正确的是 （ ） A.ΔU<mgh B.甲气室内气体温度升高，乙气室内气体温度降低 C.乙气室内气体内能的减少量等于甲气室内气体内能的增加量 D.乙气室内气体内能的减少量小于甲气室内气体内能的增加量 BD 解析：乙气室内气体对外做正功且乙气室绝热，则乙气室内气体的内能减小，活塞对甲气室内气体做正功，内能增加，对甲气室内气体、乙气室内气体以及活塞整个系统而言，总能量守恒，故乙气室内气体内能的减少量加上活塞重力势能的减少量等于甲气室内气体内能的增加量，故甲气室内气体内能的增加量大于活塞重力势能的减少量，即ΔU>mgh，乙气室内气体内能的减少量小于甲气室内气体内能的增加量，故AC错误，D正确； 甲气室内气体内能增大，温度升高，乙气室内气体内能减小，温度降低，故B正确。 【例3】（多选）下列说法正确的是 （ 　） A、随着科技的发展，永动机是可以制成的 B、在低速运动时，宏观物体的运动服从牛顿运动定律 C、“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律， 因而是不可能的 D、有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源， 却能一直走动，说明能量可以凭空产生 BC 所有宏观自发过程都具有单向性 学习任务二： 热力学第二定律 无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，我们也从未见到它们会自发地进行。这就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 物体间的传热 气体的膨胀 扩散现象 有摩擦的机械运动 热现象 特定的方向 温度由高到低 体积由小到大 密度由密到疏 由功到热 二、热力学第二定律 1、热力学第二定律的第一种表述： 热量不能自发地从低温物体传到高温物体； 是按照热传递的方向性来表述的，也叫克劳修斯表述； 克劳修斯表述实质： 热传递过程是不可逆的； 克劳修斯表述的理解： ①热量不能自发地从低温物体传向高温物体； ②要将热量从低温物体传向高温物体，必须有外界的影响和帮助→ 需要外界对其做功才能完成； （自发性：不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响） 【问题思考】电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢？ 电冰箱工作时热量的确从低温物体（冰箱内的食品）传到了高温物体（冰箱外的空气），但这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机消耗电能，对制冷系统做了功。 实例：电冰箱制冷 要将热量从低温物体传向高温物体，必须有外界的影响和帮助 （有外界对其做功）才能完成； 如：电冰箱、空调、冷库制冷系统； 低温吸热 高温放热 外界影响压缩机 2、热力学第二定律的第二种表述： 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； 是按着热现象的方向性来表述的，也叫开尔文表述； 开尔文表述实质： 一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的； 开尔文表述的理解： ① 热机吸收的热量不能全部用来做功，一定有其他影响； ②热机效率不可能达到100％； 醍醐灌顶： 其他形式能量转化为内能可以自发进行，反之不能自发进行； 例：摩擦生热 机械能→内能 （自发进行） 内能→机械能 （不自发，借助其他帮助） 机械能 内能 全部转化（自发） 对第三者有影响 例：热机（把内能转化为机械能的装置） 从高温热库吸收的能量不可能全部用来做功，不可避免的将一部分热量给低温热库； （“不可能从单一热库吸收热量”的 意思是 ：不仅要从一个热库吸热， 而且一定会向另一个热库放热。） 如：蒸汽机、燃气轮机、喷气发动机等； 热机的效率： 诠释： ① 这里阐述的是机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能(即没有效率为100%的热机）。 ② 可从单一热库吸收热量，使之完全变成功，但会产生其他影响。 ③ 开尔文表述也可以改为：第二类永动机是不可能制造成的。 开尔文的表述也相当于：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不引起其他变化。 思考：绝热汽缸和活塞内部有通电的电阻丝，内部封闭一定质量的理想气体而处于平衡状态，现对电阻丝通电，气体吸收一部分热量Q而对外缓慢做功。它能将吸收的热全部用来做功吗？ 分析：体积增大，温度必然升高，也就是说它无法自发的把吸收的内能全部转化为机械能，必然还有一部分用来增加它的内能。 P P0 定义：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。 第二类永动机 η=1. 第二类永动机不可能制成：违反热力学第二定律 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不可能原因 不消耗任何能量，可以不断地做功（或给予很少的能量启动后，能够永远运动） 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化 违背能量转化与守恒定律 违背热力学第二定律 第二类永动机 ---不可能制成 ①两种表述是等价的 可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。 ②对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 4、热力学第二定律得其他描述： （1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。 （2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。 3、热力学第二定律的意义: 提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。  热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。 5、热力学第二定律的适用范围 （1）适用于宏观过程对微观过程不适用，如布朗运动。 （2）孤立系统有限范围，对整个宇宙不适用 6、与热力学第一定律的关系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响.所以二者相互独立，又相互补充. 7、热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。 热力学第三定律：绝对零度不可达到但可以无限趋近。 热力学第二定律的微观意义: “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” 8.能源有限、能量耗散 能量耗散： 能量由容易用的高品质能量转变为不易被利用的低品质能量的过程； 能源利用： 因为能量守恒、能源有限。所以，能源利用本质是能量耗散； 思考：①能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解? ②能量的耗散揭示出怎样的事实？ 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。 高品质：机械能、光能、化学能、电能 低品质：内能 转化方向不可逆 能源：其实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。 学习任务评价二 【例4】根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（　 ） A.功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功 B.热可以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 C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的 D.随着技术的进步，热机的效率可以达到100% C 【例5】关于热力学定律,下列说法正确的是(　 　) A.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加 C.不可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功 D.不可能使热量从低温物体传向高温物体 A 【例6】下列关于能量耗散的说法,正确的是 ( 　 　) A.能量耗散使能的总量减少,违背了能量守恒定律 B.能量耗散是指散失在环境中的内能很难收集起来被人类利用 C.机械能向内能的转化是能够全额发生的 D.能量耗散导致能量品质降低了 BCD 【变式练】 下列说法中可行的是 （ ） ①将地球上所有海水的温度降低0.1℃，以放出大量内能供人类使用 ②制造一种机器，把物体与地面摩擦所产生的热量全部收集起来再全部加以使用 ③建造一只可以从海洋中提取热量的船，把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转 ④制造一种效率为100％的热机 A．①可行 B．①④可行 C．②④可行 D．①②③④都不可行 D 课堂小结 一、能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 二、热力学第二定律： 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。 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。 三、能源是有限的： 1、能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。 2、能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质降低了。 课堂练习 【1】（多选）根据热力学第二定律，下列判断正确的是（ ） A、电能不可能全部变为内能 B、在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能 C、热机中，燃气内能不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给高温度物体 BCD 【2】（多选）如图是文艺复兴时期意大利的达·芬奇造的永动机装置。他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息 ( ) A、这是第一类永动机 B、这是第二类永动机 C、它不可能成功，因为违反能的转化及守恒定律 D、它不可能成功，因为违反热力学第二定律 AC 【3】（多选）下列说法正确的是（ ） A、在自然条件下，热传递的过程是不可逆的 B、热量不可能由高温物体传递给低温物体 C、气体的扩散过程具有方向性 D、一切形式能量转化都不具有方向性 AC 【4】（多选）如图所示，用两种不同的金属丝组成一个回路，触点1插在热水中，触点2插在冷水中，电流表指针会发生偏转，这就是温差发电现象。下列有关温差发电现象的说法中，正确的是 （ ） A、该实验符合能量转化守恒定律，但违背了热力学第二定律 B、该实验中有部分内能转化为电路的电能 C、该实验中热水的温度降低，冷水的温度不变 D、该实验中热水的温度降低，冷水的温度升高 BD 坚持很酷 饮水小鸭的工作原理是基于蒸发冷却和气压差驱动的循环运动 饮水小鸭（又称“饮水鸟”）是一种利用蒸发冷却和气压差原理实现周期性摆动的经典物理玩具/演示装置。其核心工作原理可分为以下关键步骤： 1. ‌蒸发冷却与气压变化‌ 当鸭嘴接触水杯时，头部包裹的吸水毛毡被浸湿，水分在空气中蒸发吸热，导致头部玻璃球（上球）温度降低。温度下降使上球内的乙醚蒸气液化，内部气压减小，形成低压环境。此时下球（尾泡）内的乙醚蒸气压强高于上球，推动玻璃管中的液柱上升。 2. ‌重心变化与倾倒‌ 液柱上升使小鸭整体重心上移，当重心超过支点时，小鸭向前倾倒（抬头状态变为低头状态）。 倾倒后，头部再次浸入水中湿润毛毡，同时上下玻璃球通过细管连通，气压恢复平衡，液态乙醚因重力流回下球。 3. ‌循环重启‌ 乙醚回流后重心下移，小鸭恢复直立状态，重新开始蒸发冷却过程。这一循环依赖头部毛毡持续“饮水”和蒸发，吸收空气中的热量维持运动。 能量来源：水蒸发吸收环境热量（非永动机，符合热力学定律）。 核心部件：双玻璃球结构、乙醚（低沸点液体）、吸水毛毡、细玻璃管。 现象本质：气压差与重心变化的动态平衡。 拓展学习：熵与熵增加原理 熵增定律，是热力学中的一个基本原理。它指出在一个封闭系统内，熵(即系统的混乱程度)总是趋于增加。这个原理可以用来解释许多白然现象和工程实践中的规律。 熵:即系统的混乱程度 Lavf58.12.100 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 $