高中物理人教版3第十章热力学定律4热力学第二定律 第10章

4热力学第二定律学习目标知识脉络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．(重点)2.理解热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不可能制成．(难点、重点)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．(重点)4.学会运用热力学第二定律解决一些实际问题．(难点)热力学第二定律的一种表述eq\a\vs4\al([先填空])1．热传导的方向性(1)热量可以自发地由高温物体传给低温物体．(2)热量不能自发地由低温物体传给高温物体．(3)热传导过程是有方向性的．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．即热传导的过程具有方向性．eq\a\vs4\al([再判断])1．温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从低温物体传给高温物体．(×)2．热传导的过程是具有方向性的．(√)3．热量不能由低温物体传给高温物体．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．热量能自发地从高温物体传给低温物体，我们所说的“自发地”指的是没有任何的外界影响或者帮助．电冰箱是让“热”由低温环境传递到高温环境．这是不是自发进行的？说明理由．图10­4­1【提示】电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体，在该过程中电冰箱要消耗电能．一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了，相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高．2．热传递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”？【提示】不能．“自发地”是指没有第三者影响，例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体，但是产生了影响，即外界做了功．eq\a\vs4\al([核心点击])热传导的方向性1．“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助．如：重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它们不受外来干扰，这就是自发的过程；而在夏天，室内温度比外界低，用空调却还能不断地把室内热量向外界传递，是因为电流对空调做了功，不是自发的过程．2．热量从高温物体传递到低温物体，是因为两者存在着温度差，而不是热量从内能大的物体传递到内能小的物体，由内能的定义可知，温度低的物体有可能比温度高的物体内能大．1．关于热传导的方向性．下列说法正确的是()A．热量能自发地由高温物体传给低温物体B．热量能自发地由低温物体传给高温物体C．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体D．热量一定不可能从低温物体传给高温物体E．热量既可以从高温物体传递到低温物体，也可以从低温物体传递到高温物体【解析】在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传递给高温物体；而在自发的条件下，热量只能从高温物体传给低温物体，故A、C、E选项正确．【答案】ACE2．关于制冷机制冷过程的说法中，正确的是()A．此过程违反了热力学第二定律B．此过程没有违反热力学第二定律C．此过程违反了能量守恒定律D．此过程没有违反能量守恒定律E．此过程在消耗电能的前提下，热量从低温物体传给高温物体【解析】制冷机可以从低温物体吸收热量传给高温物体，但必须消耗电能，热力学第二定律并不否认热量可从低温物体传给高温物体，关键是“不产生其他影响”，A错误，B、E正确，任何物理过程都不违反能量守恒定律，C错误，D正确．【答案】BDE3．根据热力学第二定律，下列说法正确的是()A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能B．电能不可能全部转变成内能C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体E．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律【解析】凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性．无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”，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，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第一种(克氏)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；第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律，故E错误．【答案】ACD理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性.理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”热力学第二定律的开尔文表述eq\a\vs4\al([先填空])1．热机(1)热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能．第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能．(2)热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值．用公式表示：η＝W/Q.2．开尔文表达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．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)3．热力学第二定律的其他描述(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)第二类永动机是不可能制成的．4．第二类永动机(1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化的热机．(2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违背能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸收的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库．eq\a\vs4\al([再判断])1．第二类永动机违背了热力学第二定律．(√)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，而内能不能自发的全部转化为机械能．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．如图10­4­2所示，在甲图的活塞上轻轻放上一块小物体，重力做功将重力势能转化为气体内能，气体温度升高与外界进行热交换，直到乙图所示的状态，活塞还能自发地返回原位置吗？甲乙图10­4­2【提示】活塞不能返回原位置，气体不会自发地吸收热量将内能转化成机械能，因为这违背了热力学第二定律．2．随着科技的不断发展，假如能够使热机没有漏气，没有摩擦，也没有机体热量损失，是不是能够使热机效率达到100%?【提示】不能，原因是热机的工作物质吸收的热量不能完全用来做功，这违背了热力学第二定律．eq\a\vs4\al([核心点击])1．开尔文表述中的“单一热源”指温度恒定且均匀的热源．“不引起其他变化”是指唯一效果是热量全部转变为功而外界及系统都不发生任何变化．其物理实质揭示了热变功过程是不可逆的．2．热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的．3．两类永动机的比较第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去)．第二类永动机：将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)．4．根据热力学第二定律，下列说法中正确的是()A．不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不引起其他变化B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化D．在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能E．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量【解析】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，A对；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有外界的帮助，故B错；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故C错；火力发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能向机械能转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不会全部变为电能，故D对；不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其它影响，即第二类永动机不存在，故E正确．【答案】ADE5．关于热现象和热学规律，下列说法中不正确的是()A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的C．第二类永动机遵从能量守恒，故能做成D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功×105J，同时空气向外界放出热量×105J，则空气的内能增加了×105JE．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化【解析】由热力学第二定律知B、C错；绝对零度不可达到，A错；由热力学第一定律知D正确；机械能可以全部转化内能，内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能，故E正确．【答案】ABC6.如图10­4­3中汽缸内盛有定量的理想气体，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杆对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法不正确的是()图10­4­3A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律E．以上四种说法都不对【解析】由于气体始终通过汽缸与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，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，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，此过程由外力对活塞做功来维持