高中 物理 必修第三册 第三章　热力学定律《第4节　热力学第二定律》课件

物理第三章热力学定律第4节热力学第二定律01必备知识素养奠基02关键能力素养形成03分层演练素养达标[学习目标]1．知道传热、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。2．理解热力学第二定律的两种表述。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。

知识点1热力学第二定律1．热传导的方向性(1)热量可以自发地由______物体传到______物体。(2)热量不能自发地由______物体传到______物体。(3)热传导过程是有_________的。高温低温低温高温方向性2．热力学第二定律的克劳修斯表述热量不能自发地从______物体传到______物体。即热传导的过程具有_________。3．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_____________，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)低温高温方向性完全变成功[判一判]1．(1)热量不能由低温物体传给高温物体。(

)(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，而内能不能自发地全部转化为机械能。(

)××√知识点2能源是有限的1．能量耗散能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。在各种各样的活动中，其他形式的能最终都转化成内能流散到_______________，再也不能自动聚集起来驱动机械做功了，这种转化过程叫作能量耗散。周围环境中2．品质降低能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的能量。能源的使用过程中虽然能的总量____________，但能量的______下降了。保持守恒品质[判一判]2．(1)能量耗散不遵循能量守恒定律。(

)(2)能量耗散会导致能量品质的降低。(

)(3)为了可持续发展，必须节约能源。(

)×√√1．(对热力学第二定律的理解)关于热力学定律，下列说法中正确的是(

)A．在一定条件下物体的温度可以降到绝对零度B．第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律C．热机的效率可以达到100%D．在热传递中，热量不可能自发地从低温物体传给高温物体√解析：绝对零度是一切低温物体的极限，永远无法达到，A错误；第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，B错误；不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功而不产生其他影响，热机效率无法达到100%，C错误；热量可以从低温物体传到高温物体，但是不可能自发地从低温传到高温物体，D正确。2．(能量耗散和品质降低)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散失的能量重新收集、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不守恒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方向性√解析：能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来，其满足能量守恒定律，也符合热力学第二定律，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了；能量耗散反映了涉及热运动的宏观过程都具有方向性，所以A、B、C错误，D正确。3．(热力学定律和能量耗散)根据热力学定律，下列判断正确的是(

)A．我们可以把火炉散失到周围环境中的能量全部收集到火炉中再次用来取暖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√探究一对热力学第二定律的理解1．自然过程的方向性(1)热传导具有方向性两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。(2)气体的扩散现象具有方向性两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体。(3)机械能和内能的转化过程具有方向性物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。(4)气体向真空膨胀具有方向性气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空。2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义(1)“自发地”：指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性。在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。(2)“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。(3)“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。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，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，过程中所产生的其他一切影响，无论用任何办法都不可能加以消除。特别提醒：(1)热力学第二定律的两种表述是等价的。(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。3．两类永动机的比较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(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)不可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【例1】

(多选)下列说法正确的是(

)A．不可能让热量由低温物体传递给高温物体而不引起其他任何变化B．从单一热源吸取热量使之全部变成有用的机械功是不可能的C．熵值越大，表明系统内分子运动越无序D．热量是热传递过程中，内能大的物体向内能小的物体转移内能多少的量度√√[解析]

根据热力学第二定律可知，不可能让热量由低温物体传递给高温物体而不引起其他任何变化，故A正确；根据热力学第二定律可知，在没有外界影响下，从单一热源吸取热量使之全部变成有用的机械功是不可能的，但如果存在外在影响是可以实现的，故B错误；根据熵增加原理可知，熵值越大，表明系统内分子运动越无序，故C正确；热量是热传递过程中，温度高的物体向温度低的物体转移内能多少的量度，故D错误。【例2】如图所示，绝热的汽缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分，活塞质量不计，活塞用销钉锁住，活塞与汽缸之间没有摩擦，汽缸左边装有一定质量的理想气体，右边为真空，现在拔去销钉，抽去活塞，让气体向右边的真空做绝热自由膨胀，下列说法正确的是(

)A．气体在向真空膨胀的过程中对外做功，气体内能减少B．气体在向真空膨胀的过程中，分子平均动能变小C．气体在向真空膨胀的过程中，气体内能增加D．若无外界的干预，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空√[解析]

气体在向右边的真空膨胀的过程中没有力的作用，所以气体不做功，即W＝0，绝热过程，Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU＝0，所以气体内能不变，温度不变，分子的平均动能不变，故A、B、C错误；无外界的干预，根据热力学第二定律可知，涉及热现象的宏观过程具有方向性，因此，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空，故D正确。[针对训练1]根据热力学定律，下列说法正确的是(

)A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成B．效率为100%的热机是不可能制成的C．电冰箱的工作过程表明，热量可以自发地从低温物体向高温物体传递D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段√解析：第二类永动机违反了热力学第二定律，因此不可能制成，故A错误；效率为100%的热机是不可能制成的，故B正确；电冰箱通过消耗电能才能把热量从低温的箱体内转移到温度较高的箱体外，故C错误；从单一热源吸收热量，不可能使之完全变为有用功，故D错误。[针对训练2]

(多选)如图所示，导热的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定质量的理想气体封闭在汽缸中，汽缸的内壁光滑。现用水平外力F作用于活塞杆，使活塞缓慢地向右移动，在此过程中，环境温度保持不变。下列说法正确的是(

)A．气体吸收热量B．气体分子平均动能不变C．气体内能不变，却对外做功，此过程违反热力学第一定律，不可能实现D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律√√√探究二能量耗散和品质降低1．能量耗散自然界中集中度较高(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，就成为更加分散也是无序度更大的能量，没有办法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，这样的现象叫作能量耗散。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宏观过程具有方向性。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。内能较之机械能、电能、光能、核能等是一种低品质能量。【例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．不断开发新能源，是缓解能源危机的主要途径√√√[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；能源的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。【例4】能源问题是当今世界最为重要的问题之一，热力学的研究对能源利用率的提高起到了关键作用，为热机的设计与制造提供了足够的理论支持。关于热机和热力学定律，以下表述正确的是(

)A．将电冰箱的门打开可以使房间里的温度降低B．因为能量守恒，所以随着科技的发展能量可以循环利用，从而解决能源危机问题C．第二类永动机并没有违背能量守恒定律，但热机的效率不可能达到100%D．热力学第二定律可表述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”√[解析]

打开冰箱门不仅不能使房间的温度下降，还会使房间温度上升，因为电冰箱的制冷机工作后，冰箱冷冻室内的蒸发器温度降低，吸收空气的热量，与此同时，冰箱内部的冷凝器温度升高，将热量传给空气，室内空气的热量只是被冰箱吸收后又被放出，所以室温不会降低，相反，电动机工作时，会将一部分电能转化为内能，故室内温度会有少许升高，故A错误；虽然能量守恒，但由于使用后能量的品质降低，可利用的能源会越来越少，所以能源危机仍然存在，我们在日常的生产生活中要养成节约能源的习惯，故B错误；第二类永动机并没有违背能量守恒定律，但热机的效率不可能达到100%，故C正确；热力学第二定律可表述为“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”，故D错误。[针对训练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再也不能收集起来被人类利用C．各种形式的能量向内能的转化，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，能量耗散遵守能量