2024-2025学年高中物理第十章热力学定律4热力学第二定律学案新人教版选修3-3

PAGE9-热力学其次定律一、热传导的方向性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，这说明热传导的过程具有方向性．2．多数事实告知我们，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不行逆的．结合电冰箱的工作状况想一下，热传导的方向性是否说明“热量不能从低温物体传给高温物体”？提示：不能．这是因为热量能从低温物体传向高温物体，只不过不能自发进行，须要外界帮助罢了．二、热力学其次定律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其次定律．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：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，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)(3)其他表述：对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学其次定律的表述．例如，热力学其次定律可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不行逆的．三、热机和其次类永动机1．热机(1)热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能．其次个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能．(2)热机的效率：热机输出的机械功W与燃料燃烧产生的热量Q的比值叫作热机的效率，用公式可表述为η＝eq\f(W,Q).2．其次类永动机(1)定义：只从单一热库汲取热量，并使之完全变成有用功而不产生其他影响的热机．(2)其次类永动机不行制成的缘由：违反了热力学其次定律．假如随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气，没有摩擦，也没有机体热量损失，是否能使热机的效率达到100%?提示：不能．这是因为由热力学其次定律可知热机的工作物质汲取的热量不能完全用来对外做功，而不产生其他影响．考点一对热力学其次定律的理解1．单一热库：指温度匀称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，有些国家已在探讨利用海水上下温度不同来发电．2．其他影响：指除了从单一热库汲取的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体汲取热量、高温物体得到热量外，其他一切影响和改变．不是不能从单一热库汲取热量而对外做功，而是这样做功的过程中，肯定伴随着其他改变或影响．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发热传递是不行能的．3．关于“不行能”：事实上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库汲取热量对外做功，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，不论用任何曲折困难的方法都不行能加以消退．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．5．两种表述是等价的：两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性．两种表述可以相互推导．假如克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立．【例1】如图所示的汽缸内盛有肯定质量的志向气体，汽缸壁是导热的，缸外环境温度保持恒定，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．若已知志向气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是()A．气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，因此过程违反热力学其次定律B．气体是从单一热库吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学其次定律C．气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学其次定律D．以上三种说法都不正确热力学其次定律的开尔文表述：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响．【解析】外界温度匀称且恒定，符合单一热库的观念；又气体温度没有改变，内能没有改变，则汲取的热量全部用来做功．但因为系统体积改变了，也就是说产生了其他影响，所以并没有违反热力学其次定律．【答案】C总结提能(1)在应用热力学其次定律分析问题时，最简单忽视的就是所谓的“其他影响”，如本题中“气体体积膨胀”即为“其他影响”，若忽视了这一点，则此过程中气体从单一热源吸热，并全部用来做功了，应当是违反热力学其次定律的，这样就会错选A.(2)牢牢抓住热力学其次定律两个表述中的关键词，一个是“自发”，一个是“其他影响”，在考虑任何和热现象有关的过程能否发生时，都应首先看是否符合这两条．热力学其次定律常见的表述方式有两种，其一：不行能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他改变；其二：不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功，而不引起其他改变．第一种表述方式可以用图甲来表示，依据你对其次种表述的理解，假如也用类似的示意图来表示，你认为图乙示意图中正确的是(B)解析：由题图甲可知，使热量由低温物体传递到高温物体必伴随着压缩机的做功，即引起其他改变；对于其次种方式，热机工作时，从高温物体汲取热量，只有一部分用来对外做功，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温物体，故选项B正确，选项A、C、D错误．考点二热力学第肯定律和其次定律的比较1．两个定律比较：热力学第肯定律是能量守恒定律在热力学中的详细表现形式，在转化的过程中，总的能量保持不变．热力学其次定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不行逆性．2．两类永动机的比较第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只赐予很小的能量启动后，可以恒久运动下去)．其次类永动机：将内能全部转化为机械能，而不引起其他改变(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)．【例2】关于热力学第肯定律和热力学其次定律，下列论述正确的是()A．热力学第肯定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学其次定律则指出内能不行能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互冲突的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，故两条定律并不冲突C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不冲突，而且没有本质区分D．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第肯定律和热力学其次定律精确透彻地理解热力学第肯定律和热力学其次定律的几种表述方式是解答本题的关键．【解析】热力学第肯定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热学中的详细体现．热力学其次定律则进一步阐明白内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不冲突，故C、D错误，B项正确；内能在肯定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他改变，如电冰箱制冷机工作还要消耗电能，故A错误．【答案】B总结提能热力学其次定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，并不违反能量守恒定律，热力学第肯定律揭示了能量守恒定律中的内能改变的方式．下列说法正确的是(D)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．其次类永动机不行能制成，是因为违反了能量守恒定律D．不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功，而不引起其他改变解析：依据热力学其次定律，热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，而不引起其他改变．在发生其他改变的前提下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱制冷时，压缩机工作，消耗了电能，同时热量由冰箱内的低温物体传递到冰箱外的高温物体，所以A错．外界对物体做功的同时，物体可能放热，物体的内能不肯定增加，所以B错．其次类永动机的效率为100%，并不违反能量守恒定律，但它违反了热力学其次定律中热机效率必小于1的表述，因此它不行能制成，所以C错．而D选项中的表述就是热力学其次定律的一种表述形式，所以D正确．常见误区例析关于热力学其次定律理解的四个误区误区1：误认为热量不能从低温物体传到高温物体产生误区的缘由是对热力学其次定律的克劳修斯表述不理解．热量不能自发地从低温物体传到高温物体，在肯定条件下热量可以从低温物体传到高温物体．误区2：误认为功可以变成热，热不能完全变胜利其缘由是不理解热力学其次定律的开尔文表述，功可以全部变成热，热在肯定条件下也可以全部变胜利．误区3：误认为气体向真空的自由膨胀是可逆的产生误区的缘由是对热力学其次定律的表述理解不透，对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学其次定律的表述，气体向真空的自由膨胀是不行逆的．误区4：误认为热机的效率可以是100%产生误区的缘由是对热机的工作原理理解不清，热机工作时从高温热库吸热Q，一部分对外做功W转变为机械能、另一部分热量排放到低温热库，即W<Q，由η＝eq\f(W,Q)×100%知热机效率总小于100%.【典例】在探讨性学习的过程中，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．改进热机的生产工艺，总有一天热机的效率可以达到100%B．独创一种制冷设备，使温度降至肯定零度C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严峻污染了空气，想方法使它们自发地分别，既清洁了空气，又变废为宝D．将房屋顶盖上太阳能板，可干脆用太阳能来解决照明和热水问题【解析】通过以下表格进行逐项分析：选项情景与过程分析推断A热机的效率在任何条件下都不行能达到100%×B温度不能无限降低，肯定零度不行能达到×C扩散现象具有方向性，逆过程不行能自发进行×D太阳能可以用来发电和进行加热√【答案】D1．下列宏观过程不能用热力学其次定律说明的是(A)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，会匀称扩散到整杯水中，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%解析：热力学其次定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，A不属于热现象．2．(多选)随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，近期油价不断攀升，已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一，下列有关能量转化的说法中错误的是(BCD)A．不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功，而不引起其他的改变B．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能C．满意能量守恒定律的物理过程都能自发的进行D．外界对物体做功，物体的内能必定增加解析：由热力学其次定律的开尔文表述可知A对．热机效率总低于100%，B错．满意能量守恒的过程未必能自发进行，任何过程肯定满意热力学其次定律，C错．由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不肯定大于0，即内能不肯定增加，D错．3．(多选)下列哪些过程具有方向性(ABCD)A．热传导过程B．机械能向内能的转化过程C．气体的扩散过程D．气体向真空中的膨胀解析：这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，依据热力学其次定律的基本内涵，它们都是不行逆的，具有方向性．4．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(ACD)A．为了增加物体的内能，必需对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以从单一热源汲取热量，使之完全变为功D．功转变为热的实际宏观过程是不行逆过程解析：考查热力学定律的理解，解题的关键是明确热力学两个定律的意义．由ΔU＝W＋Q知，增加物体的内能，