第三章热力学第二定律新教材人教版（2019）高中物理选择性必修第三册课件

4.热力学第二定律学习目标

1.了解热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。知道具有方向性的过程为不可逆的。2.了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能制造成功。3.能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,并能解决一些实际问题。4.了解能量耗散、能源和环境。思维导图必备知识自我检测一、宏观过程的方向性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给低温物体,但不会自发地从低温物体传给高温物体,这说明热传递的过程具有方向性。2.无数事实告诉我们,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。必备知识自我检测二、热力学第二定律1.定义:在物理学中,反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。2.表述(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。(该表述阐述的是热传递的方向性)(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。(该表述阐述的是机械能与内能转化的方向性)必备知识自我检测三、能源是有限的1.能量耗散和品质降低。(1)能量耗散:有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能,即成为更加分散即无序度更大的能量,流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。(2)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的降低,实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为可用性差的低品质形式。2.能源:所谓能源,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。必备知识自我检测四、熵及熵增加原理1.熵:熵可用来表达一个系统的无序程度,系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。2.熵增加原理:在自发过程中,系统总是自发地向无序方向发展,即一个孤立系统的熵值总是不减少的。必备知识自我检测1.正误判断(1)机械能可以完全转化为内能。(

)(2)内能不可能完全转化为机械能。(

)(3)能够制成的热机既不违背能量守恒定律,也不违背热力学第二定律。(

)(4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。(

)(5)一个宏观态所对应的微观态数目越多,则熵越大。(

)(6)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。(

)(7)根据能量守恒定律可知,节约能源是没有必要的。(

)(8)能量耗散会导致总能量减少,也会导致能量品质降低。(

)(9)能源的开发和利用要考虑其对环境的影响。(

)答案(1)√

(2)×

(3)√

(4)×

(5)√

(6)√

(7)×

(8)×

(9)√必备知识自我检测2.在研究性学习的过程中,同学们提出了以下四个活动方案,哪些从理论上讲是可行的(

)A.将散失在周围环境中的内能全部收回再利用B.发明一种制冷设备,使温度降至绝对零度C.汽车尾气中各类有害气体排入大气后发生扩散现象严重污染了空气,使它们自发地聚在一起,既清洁了空气,又变废为宝D.在房屋顶部盖上太阳能板,可用太阳能来解决照明和热水问题解析系统的内能流失到周围环境中,想要全部收回再利用只能消耗更多能源,A错;温度不能无限降低,绝对零度不可能达到,B错;扩散现象具有方向性,逆过程不可能自发进行,C错;太阳能可以用来发电和进行加热,D正确。答案D必备知识自我检测3.“能源危机”是当今世界各国共同面临的问题。对此,以下措施可行的是(

)A.人人都要自觉做到节约用水、节约用电,不浪费和人为毁坏物品B.关闭所有的火力发电站C.各地都要兴建水力和风力发电站D.立即停止使用石油资源,改为使用核能和太阳能解析受地域环境的限制,风力、水力发电站不能在各地兴建,因而不能关闭所有的火力发电站,故B、C错误。受技术限制,核能和太阳能尚不能完全替代石油资源,故D错误。A选项说法正确。答案A必备知识自我检测4.(多选)根据热力学第二定律可知,下列说法中正确的是(

)A.不可能从单一热源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中,而不引起其他变化D.不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化必备知识自我检测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,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部的帮助,即会引起其他变化,A选项正确,B选项错误;热传递过程具有方向性,热量能自发地从高温物体传给低温物体,但是热量要从低温物体传给高温物体,必然要引起其他变化,故C选项错误,D选项正确。答案AD探究一探究二探究三随堂检测热力学第二定律情境探究1.如图所示,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?要点提示活塞不能自发地返回原位置,气体不会自发地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,是不是能够使热机效率达到100%?要点提示不能,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。探究一探究二探究三随堂检测知识归纳一、对热力学第二定律的理解在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不可能”“不产生其他影响”的含义(1)关于“自发地”:指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性。在传递过程中不需借助其他物体提供能量。(2)关于“不可能”:实际上热机或制冷机系统循环终了时,除了从单一热库吸收热量对外做功,以及热量从低温热库传到高温热库以外,过程所产生的其他一切影响,不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。(3)关于“不产生其他影响”:发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。探究一探究二探究三随堂检测二、热力学第二定律与第一定律的比较

定律热力学第一定律热力学第二定律区别热力学第一定律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热力学第二定律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者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探究一探究二探究三随堂检测实例引导例1

如图所示的汽缸内盛有一定量的理想气体,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。现将活塞杆与外界连接,在外界的帮助下使其缓慢地向右移动,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,则下列说法正确的是(

)A.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律B.气体从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律D.ABC三种说法都不对探究一探究二探究三随堂检测解析热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是:不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不产生其他影响。本题中如果没有外界的帮助,是不可能等温膨胀的,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热,全用来对外做功,但产生了其他影响,所以此过程不违反热力学第二定律。答案C规律方法

利用热力学第二定律解题三要点(1)明确热力学第二定律的两种表述是等效的。其实质是自然界中进行的所有涉及热现象的宏观物理过程都具有方向性。(2)特别注意“不产生其他影响”和“产生其他影响”。热量可以从低温物体传到高温物体,但要产生其他影响。(3)热机的效率总是小于1,因为它总要向低温热库散热。探究一探究二探究三随堂检测变式训练1根据热力学定律,下列判断正确的是(

)A.空调可以制冷说明热量可以自发地从低温物体传到高温物体B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行解析热量不能自发地从低温物体传到高温物体,A错;由热力学第二定律可知,B正确;热量从低温物体传给高温物体时一定会引起其他变化,C错;只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的,D错。答案B探究一探究二探究三随堂检测第二类永动机情境探究1.如图所示为国内某柴油机厂所产的单缸柴油机,图中上方部分为水箱,热机工作时,内能可以全部转化为机械能吗?为什么?水箱所起的作用是什么?要点提示柴油机工作时水箱所起的作用是作为低温热库给热机快速降温,在内能向机械能转化的过程中,内能有一部分转移到低温热库,不可能全部转化为机械能。探究一探究二探究三随堂检测2.我们把“从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响的热机称为第二类永动机”,如果随着科技的不断发展,能够使热机没有漏气、没有摩擦,是不是就能制成第二类永动机?要点提示不能。即使没有摩擦、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,例如汽车排出气体的温度一定会比空气的温度高,它会向空气散热。所以说第二类永动机是不可能制成的。探究一探究二探究三随堂检测知识归纳1.热机(1)热机:热机是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;内燃机是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。根据能量守恒定律有Q1=W+Q2。探究一探究二探究三随堂检测(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,有因为Q1=W+Q2,所以Q1>W,η<1。(4)特别提示:①热机必须有热源和冷凝器。②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。③因热机工作时,总要向冷凝器散热,不可避免地要释放一部分热量Q2,所以总有Q1>W。④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。探究一探究二探究三随堂检测2.第二类永动机(1)第二类永动机。只从单一热库吸收热量,使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。探究一探究二探究三随堂检测(2)第二类永动机不可能制成。这类机器虽然不违背能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的,热机工作时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。也就是说,热机在工作过程中必然排出部分热量,热机用于做机械功的热量仅是它从高温热库吸收热量的一部分,绝不会是全部,所以第二类永动机是不可能制成的。从上面的分析可知,即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失,也总有W<Q,所以热机的效率总达不到100%,汽车发动机的效率一般在20%~30%,燃气轮机的效率较高,可达60%左右。(3)热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成。探究一探究二探究三随堂检测3.两类永动机的比较

分类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(或只给予很小的能量启动后,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(或只有一个热源,实现内能与机械能的转化)不可能的原因违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律探究一探究二探究三随堂检测实例引导例2(多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是(

)A.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第二类永动机B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成C.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D.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探究一探究二探究三随堂检测解析根据所学的热机知识可知选项A正确。第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,所以选项B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能,选项C错误,选项D正确。答案AD探究一探究二探究三随堂检测变式训练2关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是(

)A.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律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探究一探究二探究三随堂检测解析第一类永动机违反能量守恒定律,选项A错误;第二类永动机违反热力学第二定律,选项B错误;由热力学第一定律可知当W≠0,Q≠0时,ΔU=W+Q可以等于0,选项C错误;由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的,但一定会产生其他影响,选项D正确。答案D探究一探究二探究三随堂检测能源和能量耗散情境探究如图所示是两幅宣传节约能源的图片。请思考:既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源?探究一探究二探究三随堂检测要点提示能量是守恒的,但能量耗散却会导致能量品质降低,它实际上将能量从可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。故能量虽然不会减少但可利用的高品质能源会越来越少,所以要节约能源。探究一探究二探究三随堂检测知识归纳1.能量耗散自然界中集中度较高(即有序度较高)的能量,如机械能、电能、化学能,当它们变为环境的内能后,就成为更加分散即无序度更大的能量,很难把这些分散的无序度更大的内能重新变成有序度较高的能量加以利用。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与热现象有关的宏观过程具有方向性。探究一探究二探究三随堂检测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可用程度低的形式。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。内能较机械能、电能、光能、核能相比,是一种低品质能量。探究一探究二探究三随堂检测实例引导例3(多选)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解析能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收,能量耗散遵循能量守恒定律,但使得能量品质降低,故A错误,D正确;耗散的内能很难再被收集起来利用,B正确;机械能在一定的条件下可以全部转化为内能,C正确。故选B、C、D。答案BCD探究一探究二探究三随堂检测变式训练3(多选)关于能源的开发和利用,下列观点正确的是(

)A.无节制地利用能源,是一种盲目的短期行为B.根据能量守恒定律,能源是取之不尽、用之不竭的C.开发和利用能源的同时,必须加强对环境的保护D.开发新能源是缓解能源危机的途径之一解析能源是有限的,必须合理利用能源,A正确;尽管能量守恒,但使用过程中会有能量耗散及品质降低,B错误;能源开发利用推动人类进步,但同时会破坏人类生存的环境,所以必须加强对环境的保护,C正确;开发新能源、清洁能源可以缓解常规能源的不足,D正确。答案ACD探究一探究二探究三随堂检测1.(多选)下列说法正确的是(

)A.1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的内能小些B.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,但内能却不能全部转化为机械能C.热力学第一定律也可表述为“第一类永动机不可能制成”D.热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”探究一探究二探究三随堂检测解析1

kg的0

℃的冰熔化成0

℃的水要吸收热量,则1

kg

的0

℃的冰比1

kg的0

℃的水的内能小些,选项A正确;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,内能却不能全部转化为机械能,同时不引起其他变化,故B错误;热力学第一定律也可表述为“第一类永动机不可能制成”,选项C正确;热力学第二定律可描述为“不可能使热量自发地由低温物体传递到高温物体”,故D错误。答案AC探究一探究二探究三随堂检测2.根据热力学定律判断下列说法中正确的是(

)A.第一类永动机不违反能量守恒定律B.当人类的科学技术发展到一定程度时永动机是可以制造出来的C.冰箱可以自发地使热量由温度较低的冰箱内向温度较高的冰箱外转移D.熵增加原理说明一切与热现象有关的宏观自然过程总是向着分子热运动的无序性增加的方向进行探究一探究二探究三随堂检测解析第一类永动机不可能制成,是因为它违反能量守恒定律,A错误;第