新教材同步系列2024春高中物理第三章热力学定律第三节热力学第二定律课件粤教版选择性必修第三册

第三章热力学定律第三节热力学第二定律学习目标1．知道热传导、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(重难点)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)学法与考法学法：①通过自然过程发展方向性实例得出自然过程具有方向性结论，继而分析热量传递的方向性．②通过小组合作讨论认识到“第二类永动机”不可能实现考法：①对自然过程具有方向性理解的考查．②对热力学第二定律的两种表述实质及其关系的理解和考查．③考查热力学第二定律在实际中的应用知识导图课前·

自主预习1．热量可以自发地由____________物体传给__________物体．2．热量不能自发地由____________物体传给__________物体．3．热传导过程是有__________的．4．两种不同的气体_______自发地混合，最后成为一种均匀的混合气体．相反，一种均匀的混合气体却______自发地分开成为两种气体．热传导及扩散的方向性高温低温低温高温方向性可以不会热量能从高温物体自发传递到低温物体，但能从低温物体传递到高温物体吗？【答案】热量能从高温物体传递到低温物体，也能从低温物体传递到高温物体．微思考(多选)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【答案】AC【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正确．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________变成工作物质的________．第二个阶段是工作物质对外______，把自己的内能变成________．(2)热机的效率：热机输出的____________与燃料产生的________的比值．用公式表示η＝________．机械能和内能转化的方向性化学能内能做功机械能机械功W热量Q2．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．(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______________，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．能量守恒定律科技发达后，热机的效率可以达到100%吗？【答案】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，热机的效率不可能达到100%.微思考1．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________．2．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)热力学第二定律低温高温方向性完全变成功3．热力学第二定律的理解(1)一切宏观自然过程的进行都具有________.(2)气体向真空的自由膨胀是________的．(3)第二类永动机是不可能制成的．(4)机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功而转化成机械能．方向性不可逆(多选)根据热力学第二定律，下列说法正确的是 (

)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，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【答案】AD【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正确；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，B错误；冰箱向外传递热量时消耗了电能，C错误；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，D正确.课堂·

重难探究1．对热力学第二定律的理解在热力学第二定律的表述中，正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在．(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，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，它不受外界干扰．在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，却不能自发地从低温物体传向高温物体．对热力学第二定律的理解要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或外界的帮助”，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．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，进而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．热力学第二定律的微观解释一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．4．热力学第二定律的两种表述的等价性两种表述是等价的，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．5．热平衡两个有温差的物体互相接触，通过接触面上两侧分子的互相碰撞，使得温度高的物体分子平均动能逐渐减少，温度低的物体分子平均动能逐渐增大，直至两者温度相同达到热平衡．对热力学第二定律的理解例1对热力学第二定律的理解，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．第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律D．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化【答案】D【解析】根据热力学第二定律，热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，但在一定条件下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱的工作过程，A错误；根据热力学第一定律，物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素，B错误；第二类永动机不违反能量守恒定律，而违反了热力学第二定律，C错误；选项D是热力学第二定律的表述形式之一，是正确的．变式1下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是 (

)A．第二类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第一定律B．能量耗散过程中能量不守恒C．夏天打开电冰箱的门，可以起到室内降温作用D．一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行【答案】D【解析】第二类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第二定律，A错误；能量耗散过程中能量也是守恒的，B错误；电冰箱制冷机工作后，冰箱冷冻室内的蒸发器温度降低，吸收空气中的热量，而与此同时，冰箱外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，所以室温不会下降，不可以起到室内降温作用，C错误；根据熵增加原理，一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行，D正确．理解热力学第二定律的关键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”．1．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”是指热量从高温物体“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”：其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．对第二类永动机的理解(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的表层与深处的温度差来发电的技术．(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统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过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除．2．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．3．两类永动机的比较永动机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对第二类永动机的理解例2

(2023年广州检测)党的二十大报告提出，加强文物保护利用，推进文化自信自强，铸就社会主义文化新辉煌．如图所示是中国传统玩具饮水鸟．在鸟的面前放上一杯水，用手把鸟嘴浸到水里，“喝”了一口后，又直立起来．之后，无须人的干预，小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水，然后又会直立起来．就这样周而复始，小鸟不停地点头“喝”水，则下列说法正确的是

(

)A．饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能B．水杯中的水干了之后，小鸟还能点头“喝”水C．这种饮水鸟玩具是一架永动机D．此现象违背了热力学第二定律【答案】A【解析】玩具饮水鸟的内部结构如图所示．其原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发后吸热使得头部气压小于肚子中的气压，从而使肚子中的部分液体压入头部，使重心上移，鸟的身体变得不稳定而发生倾斜，倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面，从而使头部的液体又回流到肚子中，使鸟的身体再回到开始的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，之后鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸发，重复前面的运动，即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能，A正确；根据上述可知，当水杯中的水干了之后，由于不能形成头部和肚子的压强差，小鸟不能再上下运动，即小鸟不能点头“喝”水，B错误；这种玩具饮水鸟仍然遵循能量守恒定律，不是一架永动机，C错误；根据上述可知，此现象没有违背热力学第二定律，D错误．变式2

(多选)如图中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【答案】CD【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，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生，C、D正确．1．热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性．告诫人们：第一类永动机不可能制成．2．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．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．告诫人们：第二类永动机不可能制成．小练·

随堂巩固1．(2023年武汉联考)1827年，布朗作为英国植物学家，在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉永不停息地做无规则运动.1905年，爱因斯坦根据扩散方程建立布朗运动的统计理论，从而使分子动理论的物理图景为人们广泛接受．关于分子动理论相关知识，下列说法中正确的是

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)A．分子的扩散现象是可逆的B．布朗运动证明组成固体小颗粒的分子在做无规则运动C．花粉颗粒越小，无规则运动越明显D．分子永不停息的无规则运动说明永动机是可以实现的【答案】C【解析】分子的扩散现象是不可逆的，A错误；布朗运动是固体小颗粒的无规则运动，反映了液体分子在做无规则运动，B错误；温度越高，花粉颗粒越小，无规则运动越明显，C正确；永动机是不可以实现的，D错误．2．(2023年宜春检测)根据热力学定律和能量守恒定律，下列说法中正确的是 (

)A．空调在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量B．通过采用先进技术，热机可以实现把燃料产生的内能全部转化为机械能C．在密闭的房间里，把正常工作的冰箱门打开，可以使房间降温D．热量可以自发地从低温物体传到高温物体【答案】A【解析】空调在制冷过程中，把室内的热量向室外释放，消耗电能，产生热量，则从室内吸收的热量少于向室外放出的热量，A正确；根据热力学第二定律可知，即使通过采用先进技术，热机也不能够实现把燃料产生的内能全部转化为机械能，B错误；冰箱的工作原理是将里面的热量吸收到外面使内部的温度降低，并且自身工作也会消耗电能产生热量，所以当冰箱在密闭的房间里并打开，此时冰箱内外部相通，所以无法降温，C错误．根据热力学第二定律克劳修斯表述，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，D错误．3．(2023年长春期中)对热力学第二定律理解，正确的是 (

)A．热力学第二定律是从另一个侧面阐述能量守恒定律B．若消除热机的漏气、摩擦和热量损耗，热机效率可以达到100%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，内能却不能全部转化为机械能D．熵是系统内分子运动无