新教材同步辅导2023年高中物理第三章热力学定律3.4热力学第二定律课件新人教版选择性必修第三册

第三章热力学定律学习目标1.通过对自然界中宏观过程的分析,了解传热具有方向性、内能与机械能之间的转化具有方向性,学会通过现象总结规律的科学方法,培养观察分析与归纳能力.2.通过对生活实例的分析,了解热力学第二定律的两种不同的表述,并能用它解释常见的不可逆过程,理解第二类永动机不能制成的原因,培养应用物理知识解决实际问题的能力.3.通过分析生活中的现象,了解有序、无序、熵的概念,理解热力学第二定律的微观实质,了解能量与能源的区别以及能源的有限性.4

热力学第二定律知识点一

探索能量守恒的足迹1.如图所示,将烧红的铁球投入冷水中,会发生什么现象?答案:铁块放热,温度降低,水吸热,温度升高,最终二者温度相同.2.将烧红的铁球投入冷水中会不会出现铁球温度升高,水的温度降低的情况?这说明什么?答案:不会出现;说明自发的传热过程有方向性,即热量可以自发地从高温物体传到低温物体,而不能自发地从低温物体传向高温物体.3.热力学第二定律的克劳修斯表述:热量不能

地从低温物体传到高温物体.4.如图所示,一个物体在水平放置的木板上运动,最后要停下来,在这个过程中,物体的动能转化成为内能,物体和木板的温度升高.该物体会不会靠降低自身温度,把内能自发地转化为动能,使自身运动起来呢?这说明什么?答案:不会;这说明机械能和内能之间的转化有方向性,机械能可以自发地转化为内能,但内能不能自发地转化为机械能.5.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

变成功,而

其他影响.自发完全不产生知识点二能源是有限的1.能量耗散:像机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能等高品质能量被利用后最终都转化成

,流散到周围的环境中,这一过程叫能量耗散.2.能源的使用过程中虽然能的总量保持

,但能量的品质下降了,虽然能量总量不会

,但

会逐步减少,因此能源是有限的资源,要节约能源.内能守恒减少能源小试身手判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).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.机械能可以全部转化为内能,而内能不能自发地全部转化为机械能.()3.在一定条件下,热量可以从低温物体传到高温物体.()4.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的内能全部转化为机械能.()5.传热的过程是具有方向性的.()6.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的.()×√√×√√探究一热力学第二定律问题情境如图所示,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,显然这时热量从低温物体传到了高温物体.1.这一现象是否违背热力学第二定律?答案:不违背热力学第二定律;热量的确从低温物体传到了高温物体,但这不是自发的过程,如果不供电,冰箱的压缩机会停止工作,自发的过程则是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品.答案:热力学第二定律的克劳修斯表述阐述的是传热的方向性.“自发”二字指的是当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响.2.热力学第二定律的克劳修斯表述,从哪个方面阐述了宏观自然过程的方向性?如何理解“自发”二字?3.请从能量的角度,说明热机工作过程中是如何完成能量转化的.答案:热机的工作分为两个阶段: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推动活塞对外做功,把自己的内能变成机械能.4.热机工作时,汽缸中的气体得到的燃料燃烧时产生的热量Q1,气体推动活塞做功W,排出的废气通过冷凝器把热量Q2散发到大气中,请根据能量守恒定律说明Q1、W、Q2之间的关系.热机的效率为多少?

5.通过技术改进,热机的效率能达到100%吗?为什么?答案:热机效率不可能达到100%.因为Q1=W+Q2,而Q2>0,所以Q1>W,η<1.这说明即使没有摩擦和漏气,也没有机体热量的损失,热机也不可能把吸收的热量全部转化为机械能,总有一部分内能要散失到冷凝器或大气中.6.如图所示,绝热汽缸中的高压理想气体膨胀时,推动活塞对外做功,理想气体减少的内能全部用来对外做功转化为机械能,这与热力学第二定律的开尔文表述矛盾吗?为什么?答案:不矛盾.因为该过程的确把内能全部转化为机械能,但是气体的体积和压强发生了变化,它不能循环动作返回原状态.也就是说产生其他影响时,内能是可以全部转化为机械能的.过程建构1.对热力学第二定律的理解.(1)“自发地”是指热量从高温物体传给低温物体的方向性.在传热过程中不会对其他物体产生影响,也不需要借助其他物体提供能量等.(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,用任何办法都不可能加以完全消除.(3)“不产生其他影响”的含义是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.2.热力学第二定律的实质.热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.3.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的.4.热力学第二定律与热力学第一定律的关系.热力学第一定律描述的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;热力学第二定律指出了能量守恒能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;二者既相互独立,又相互补充.【典例1】(多选)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.在传热中,热量不可能自发地从低温物体传给高温物体解析:凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性.无论采用何种设备和手段进行能量转化,热机的效率都不可能达到100%,热机中燃气的内能不能全部转化为机械能,选项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,燃气的内能必然不能全部变为电能,选项C正确.热量从低温物体传递到高温物体不能自发地进行,必须借助外界的帮助,这会带来其他影响,选项D正确.由电流的热效应中的焦耳定律可知,电能可以全部转化为内能,选项B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,是不可逆的,关键在于理解“自发”和“不引起其他变化”.探究二第二类永动机问题情境第二类永动机——人们把想象中能够从单一热源吸收热量,全部用来做功而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机,其示意图如图所示.历史上首个成型的第二类永动机装置设想是利用海水的热量将液氨汽化,推动机械运转,但是这一装置无法持续运转,因为汽化后的液氨在没有低温热库存在的条件下无法重新液化,因而不能完成循环.第二类永动机是否违反能量守恒定律?从理论上分析其不能制成的原因.答案:第二类永动机的设想不违反能量守恒定律.不能制成的原因:机械能和内能的转化过程具有方向性,尽管机械能可以全部转化为内能,内能却不能全部转化成机械能,同时不引起其他变化,所以第二类永动机违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律.过程建构1.热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性.告诫人们:第二类永动机不可能制成.

.2.两类永动机的比较.项目第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量,可以不断地做功(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(或只有一个热源,实现内能与机械能的转化)不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【典例2】(多选)关于两类永动机,下列说法正确的是(

)A.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律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答案:

AD解析:第一类永动机不能制成是因为违背了能量守恒定律,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,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以全部转化为机械能,选项C错误,选项D正确.探究三熵与熵增加原理问题情境图甲是体育课学生自由活动的情景,图乙是学生在教室上课时的情景.甲乙1.观察两幅图片,哪幅图片中的人处于有序状态?哪幅图片中的人处于无序状态?答案:图甲中的人处于无序状态;图乙中的人处于有序状态.2.物理学上这种无序程度如何表示?答案:物理学中用熵来表达一个系统的无序程度,越无序熵越大.3.在物理学中,不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统.在自发过程中,孤立系统的熵如何变化?答案:孤立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,这就是熵增加原理.4.熵增加原理与热力学第二定律之间存在什么关系?答案:熵增加原理是热力学第二定律的微观解释,热力学第二定律是熵增加原理的宏观表现,因此热力学第二定律是一个统计规律.1.熵是反映系统无序程度的物理量,正如温度反映物体内分子平均动能大小一样.系统的状态越混乱,无序程度越大,这个系统的熵越大.2.系统状态自发变化时,总是向着无序程度增加的方向发展,至少无序程度不会减少.也就是说,系统状态自发变化时,总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态发展.从熵的意义上来说,系统状态自发变化时,总是向着熵增加的方向发展,不会使熵减小.过程建构【典例3】(多选)从微观角度看,下列说法正确的是(

)A.热力学第二定律是一个统计规律B.一个非孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展C.一个宏观状态所对应的微观状态越多,越是无序,熵值越大D.出现概率越大的宏观状态,熵值越大解析: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.熵用来描述系统的无序程度.在任何自然过程中,一个孤立系统的熵总不会减小,也就是说,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展.这反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行.对于一个非孤立的系统,在与外界有能量交换时其熵也有可能变小.选项B错误,选项A、C、D正确.答案:ACD判断有序及无序的解决方案及注意问题课堂评价1.(多选)根据热力学第二定律可知,下列说法正确的有(

)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温物体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温物体C.功可以全部变成热量,但热量不可能全部变成功D.功可以全部变成热量,热量也可能全部变成功答案:BD解析:热量能够自发地从高温物体传到低温物体;当外界对系统做功时,可以使系统从低温物体吸收热量传到高温物体,选项A错误,选项B正确.一个运动的物体,克服摩擦阻力做功,最终停止,在这个过程中功全部变成热量;当外界条件发生变化时,热量也可以全部变成功,如在理想气体的等温膨胀过程中,系统吸收的热量全部变成对外界做的功,选项C错误,选项D正确.2.下列说法正确的是 (

)A.热力学定律表明自然界中进行的涉及热现象的宏观过程,有的只遵守热力学第一定律B.热力学定律表明自然界中进行的涉及热现象的宏观过程,有的只遵守热力学第二定律C.热力学定律表明自然界中进行的涉及热现象的宏观过程,有的既不遵守热力学第一定律,也不遵守热力学第二定律D.热力学定律表明自然界中进行的涉及热现象的宏观过程,都遵守热力学第一定律和热力学第二定律答案:D解析:热力学第一、第二定律是热力学的基本定律,对所有涉及热现象的宏观过程都成立,选项D正确,选项A、B、C错误.3.(多选)下列关于热机的说法正确的是 (

)A.热机是把内能转化成机械能的装置B.热机是把机械能转化为内能的装置C.只要对内燃机不断进行革新,就可以把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能D.即使没有漏气,也没有摩擦等能量损失,内燃机也不可能把内能全部转化为机械能答案:AD解析:由热机的概念可知,选项A正确,选项B错误.内燃机工作时内能的损失有多种途径,内燃机不可能把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能,选项D正确,选项C错误.4.下列关于热力学第二定律的说法正确的是 (

)A.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序程度减小的方向进行C.有的自然过程沿着分子热运动无序程度增大的方向进行,有的自然过程沿着分子热运动无序程度减小的方向进行D.在任何自然过程中,一个孤立系统的熵总减小解析:热力学第二定律是一个统计规律,选项A正确.一切自然过程总是沿着分子热运动无序程度增大的方向进行,选项B、C错误.任何自然过程中的孤立系统总是朝着无序程度增大的方向发展,也就是朝着熵增加的方向发展,选项D错误.答案:A5.

(2022·广东卷)利用空调将热量从温度较低的室内