新教材人教版选择性必修第三册第三章第4节热力学第二定律课件（63张）

第三章

热力学定律第4节

热力学第二定律课标解读课标要求素养要求1.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。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为什么第二类永动机不能制造成功。1.物理观念：知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的原因，能解释相关现象。2.科学思维：理解热力学第二定律的两种表述，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，提高分析推理能力。课标解读课标要求素养要求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。3.科学探究：通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。4.科学态度与责任：学会科学家探索问题的方法，养成实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。续表要点一热力学第二定律克劳修斯表述：热量不能________①从低温物体传到高温物体。该表述阐述的是传热的方向性。开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之______②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。

自发地

完全要点二能量耗散和能源是有限的分散在环境中的内能不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的______③下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。

品质①“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”这一说法是否正确？为什么？提示这一说法是不正确的。热力学第二定律是说热量不能自发地从低温物体传到高温物体。此说法略去了“自发地”，通过外界做功是可以把热量从低温物体传到高温物体的。例如电冰箱的制冷就是这一情况。②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。水箱所起的作用是什么?柴油机工作时，内能可以全部转化为机械能吗？为什么？提示柴油机工作时水箱所起的作用是作为低温热库。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（水箱），不可能全部转化为机械能。③既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？提示能量是守恒的，但能量耗散却会导致能量品质降低，它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。热力学第二定律的理解（1）传热的方向性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。③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。（2）热机

探究点一

热力学第二定律的理解

（2）这个设想能成功吗？为什么？

[答案]这种利用海水的内能发电的过程，违背了热力学第二定律，所以不会成功。（1）这是一件既经济又没有环境污染的事情，这一想法违背能量守恒定律吗？

[答案]这一设想从能量转化角度是海水的内能转化为电能，并不违背能量守恒定律。2.电冰箱是一种利用工作物质，使热量从低温物体传到高温物体的装置，通过压缩机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。（1）电冰箱“将热量从低温物体传到高温物体”是否违背热力学第二定律？

[答案]在电冰箱的实例中，热量确实是从低温物体传到高温物体，但这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机必须工作，所以其不违背热力学第二定律。（2）夏天，将房间一台正在工作的电冰箱的门打开，这是否可以降低室内的平均温度？为什么？

[答案]不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开，尽管可以不断向室内释放冷气，但同时冰箱的箱体也向室内散热，就整个房间来说，由于外界通过导线不断有能量输入，室内的温度会不断升高。1.热力学第二定律的理解（1）“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例，它是靠电流做功把热量从低温处“搬”到高温处的。（2）“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。（3）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。如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而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。（4）适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。（5）热力学第二定律的两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的。2.热力学第一定律与第二定律的比较

项目热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能续表项目热力学第一定律热力学第二定律热量的传递热量可以从高温物体自发地传到低温物体说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式联系两定律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例对热力学第一定律和第二定律的理解，下列说法正确的是(

)A.热量不能由低温物体传递到高温物体B.外界对物体做功，物体的内能必定增加C.内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化D.机械能不能全部转化为内能

C1.（多选）下列哪些过程具有方向性(

)A.热传递过程 B.动能向势能的转化过程C.气体的扩散过程 D.气体向真空中的膨胀过程

ACD

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

AD探究点二

热力学第二定律的应用1.如图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，这个过程不是自发的，必须有第三者的介入，即必须开启制冷机的压缩机。（2）热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？

[答案]不能，吸收的热量不可能全部转化为机械能。1.热机

2.几个概念的理解（1）单一热库：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。（2）其他影响：指除了从单一热库吸收热量以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。不是不能从单一热库吸收热量而全部对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动传热是不可能的。（3）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。例下列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是(

)A.大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开B.将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开C.冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来D.随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%

A1.下列说法正确的是(

)A.功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功B.热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化C.热机的效率不可能大于1，但可能等于1D.热机的效率必定小于1

D

2.（多选）如图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，则下列说法正确的是(

)A.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

CD探究点三

能源是有限的1.水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石制成，分上下两片，呈圆形。流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了磨盘和粮食等的内能。（1）分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？

[答案]做功；（2）这些内能最终流散到周围的环境中，但我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用，可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？

[答案]内能品质低。能量耗散的理解1.各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。2.从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。所以，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，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不大可用的低品质形式。3.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。4.能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。例（多选）热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象，所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法正确的是(

)A.能量耗散说明能量不守恒B.能量耗散不符合热力学第二定律C.能量耗散过程中能量仍守恒D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性

CD

解题感悟能量与能源的区别（1）能量是守恒的，既不会增加也不会减少。（2）能源是能够提供可利用能量的物质。（3）能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源。1.（多选）下列关于能源的说法中正确的是(

)A.能源是取之不尽，用之不竭的B.能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等C.大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源D.核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大

BD

[解析]尽管能量守恒，但耗散的能量无法重新收集利用，所以能源是有限的，特别是常规能源。1.关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是(

)A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的B.内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾C.两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别D.其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律

B

C3.（2021辽宁大连高二期中）下列说法中正确的是(

)A.自然界的能量的总和是守恒的，所以节约能源是毫无意义的B.电源是通过静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置C.电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的D.能量耗散表明自然界的能量总和在不断减少

C

C熵与熵增加原理熵是反映一个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的大小一样。系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大。系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展。也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增大的趋势发展。所以，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式。1.（多选）对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是(

)A.系统的总熵只能增大，不可能减小B.系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小C.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展D.系统逐渐从比较无序的状态向更有序的状态发展

AC

2.（多选）下列关于晶体熔化的说法中正确的是(

)A.在晶体熔化的过程中，温度不变，分子热运动的平均速率不变，则无序程度不变B.晶体熔化时，由分子的平衡位置在空间较为规则排列，变为无序排列，则无序度增大C.在晶体熔化的过程中，熵将保持不变D.在晶体熔化的过程中，熵将增加

BD

[解析]在晶体熔化的过程中，分子的平衡位置由较有规则变为无规则，无序度增大，熵将增加。1.下列关于能量耗散的说法错误的是(

)A.能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律B.能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用C.各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的D.能量耗散导致能量品质降低

A

[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，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低。

A

[解析]一个宏观态对应微观态的多少标志了宏观态的无序程度，从中还可以推知系统自发的方向，微观态数目越多，表示越无序，一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行。3.（多选）下列哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律的是(

)A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能C.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D.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

CD

4.（多选）下列关于热力学第二定律的说法正确的是(

)A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C.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化成机械能而不