人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：3 4 热力学第二定律

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第4节热力学第二定律〖学习目标要求〗1.知道一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。2.知道热力学第二定律的两种表述内容，并能运用该定律解决一些实际问题。3.了解自然界中的能量转化和转移，知道能量耗散的概念。一、热力学第二定律1.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。如物体间的传热、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动……都有特定的方向性。2.反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。〖判一判〗(1)热量能自发地从高温物体传给低温物体。(√)(2)传热是有方向性的。(√)(3)气体向真空中膨胀的过程是有方向性的。(√)二、热力学第二定律的两种表述1.热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。阐述的是传热的方向性。2.热机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。第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。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，使之完全变成功，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)〖判一判〗(1)热量不能从低温物体传到高温物体。(×)(2)不可逆过程指的是某过程只沿某个方向发生，而不可能在没有外界影响(或不产生其他影响)的情况下沿相反方向发生。(√)(3)内能不可能完全转化为机械能。(×)(4)一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性。(×)三、能源是有限的1.能量的转移和转化具有方向性：在各种生产生活中，人们利用的各种形式的能最终都转化成内能流散到周围的环境中。2.能量耗散根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、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。这样的转化过程叫作“能量耗散”。3.能源：是指具有高品质的容易利用的储能物质。探究1热力学第二定律的理解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。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。2.其他影响：指除了从单一热库吸收的热量，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。4.两种表述是等价的如果克劳修斯表达不成立，则开尔文表述也不成立。5.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。〖例1〗(多选)关于热力学第二定律，下列说法中正确的是()A.不可能从单一热库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，只有单一的热库，能将从单一热库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，故B错误；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故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，故D正确。〖例2〗(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内、外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是()A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C.电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律D.电冰箱的工作原理违背热力学第二定律〖答案〗BC〖解析〗根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功，故A错误，B正确；电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律，故C正确，D错误。〖针对训练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〖答案〗AC〖解析〗在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵是增加的，它不可能减小，故A正确，B错误；根据熵增加原理，系统总是自发地从比较有序的状态向更无序的状态发展，故C正确，D错误。探究2永动机不可能制成1.永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的一种机器，永动机是不可能制成的。2.人类通过对大量的实践经验进行总结得知，要获得一种能量，一定需要利用另一种能量通过做功的方式进行转化，能量不能被产生。即不可能设计、创造出一种不消耗任何能量而能源源不断地对外做功的永动机。3.永动机失败的原因分析：如果没有外界热库供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，则W＜0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。〖例3〗如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是()A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量〖答案〗D〖解析〗形状记忆合金从热水中吸收热量后，一部分能量在伸展划水时转化为水和转轮的动能，另一部分释放到空气中，根据能量守恒定律可知只有D项正确。〖针对训练2〗(多选)下列说法正确的是()A.一个热力学系统吸收了热量，其内能不一定增加B.绝热情况下，外界对物体做了正功，物体的内能也不一定增加C.根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%D.第二类永动机是不可能制造出来的，因为它不仅违反热力学第一定律，也违反热力学第二定律〖答案〗AC〖解析〗一个热力学系统的内能增量等于气体从外界吸收的热量与外界对它所做的功的和，故A正确，B错误；根据热力学第二定律“不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响”，故C正确；第二类永动机不违反热力学第一定律，但违反热力学第二定律，故D错误。探究3能量耗散和品质降低的理解1.能量耗散自然界中集中度较高(即有序度较高)的能量，如机械能、电能、化学能，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散的能量，没有办法把这些分散的内能重新变成品质高的能量加以利用，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。虽然能量不会减少但能源越来越少，所以要节约能源。〖例4〗下列说法正确的是()A.能量耗散说明能量在不断减少B.能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性C.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机D.根据热力学第二定律，在火力发电机中，燃气的内能可以全部转化为电能〖答案〗B〖解析〗能量耗散是指能量的可利用率越来越低，由于能量守恒，故能量不会减少，A错误；根据热力学第二定律可知，与热现象有关的宏观自然过程具有方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，B正确；根据能量守恒定律，自然界的能量不会减少，C错误；火力发电机发电时，能量转化的过程为化学能—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，故燃气的内能必然不能全部变为电能，D错误。1.(热力学第二定律的理解)(多选)下列说法正确的是()A.热量能自发地从高温物体传给低温物体B.热量不能从低温物体传到高温物体C.传热是有方向性的D.气体向真空中膨胀的过程是有方向性的〖答案〗ACD〖解析〗如果是自发地进行，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A、C正确，B错误；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆，具有方向性的，D正确。2.(热力学第二定律的理解)关于热力学第二定律，下列说法正确的是()A.热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律B.热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律C.热力学第二定律是物理学家从理论推导得出来的结果D.热力学第二定律没有理论和实验的依据，因此没有实际意义〖答案〗B〖解析〗热力学第二定律是物理学家通过对大量自然现象的分析，又总结了生产和生活经验得到的结论，是一个经验定律，它并不能通过理论和实验来证明，但它符合客观事实，因此是正确的。它揭示了热现象宏观自然过程的方向性，使人们认识到第二类永动机不可能制成，对我们认识自然和利用自然有着重要的指导意义。3.(能量耗散和品质降低的理解)(多选)热现象过程中不可避免地出现能