人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：第4节 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节热力学第二定律核心素养物理观念科学思维科学态度与责任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。1.体会用热力学第二定律反映宏观自然过程的方向性。2.体会能量守恒和能源有限。应用热力学定律解释生产生活中的实例。知识点一热力学第二定律〖观图助学〗如图，一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。提出问题(1)水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？(2)物质的自发扩散有没有方向性？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。〖思考判断〗(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。(√)知识点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)〖思考判断〗(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。(×)知识点三能源是有限的1.能量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。〖思考判断〗(1)能量耗散使能量的总量减少，违背了能量守恒定律。(×)(2)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。(√)(3)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。(√)(4)能量耗散导致能量品质的降低。(√)热力学第二定律是用否定语句表述的(绝大多数物理定律都是用肯定语句表述的)，它告诉我们什么样的过程不可能发生。(1)对“自发”的理解：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传向另一个物体。当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。(2)对“不可能从单一热库吸收热量”的理解：不仅要从一个热库吸收热量，而且一定会向另一个热库放热。关于热机(1)热机是一种把内能转化为机械能的装置。主要由热源、工作物质和冷凝器三部分组成。(2)工作原理：热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2。(3)热机效率：由能量守恒定律Q1＝W＋Q2，我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫作热机效率，用η表示，即η＝eq\f(W,Q1)。关于能量耗散(1)能量耗散虽然不会使能的总量减少，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有用的形式。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。(2)能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程是具有方向性的。(3)能量虽然不会减少，但能源会越来越少，所以要节约能源。核心要点对热力学第二定律的理解〖阅读探究〗地球上海水的总质量达1.4×1021kg。如果把这些海水的温度降低1℃，放出的热量就达9×1018kW·h，足够全世界使用4000年。这个设想不违背能量守恒定律，但是不能实现，分析其原因。〖答案〗利用该设想制成机器不违反能量守恒定律，大量的事实证明，在任何情况下热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取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源。〖探究归纳〗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。〖试题案例〗〖例1〗随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，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正确的是()A.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他的变化B.只要对内燃机不断进行改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能C.满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行D.外界对物体做功，物体的内能必然增加〖解析〗由热力学第二定律的开尔文表述可知，A正确；热机效率总低于100%，B错误；满足能量守恒定律的物理过程未必能自发进行，任何过程一定都满足热力学第二定律，C错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即内能不一定增加，D错误。〖答案〗A温馨〖提*示〗自然界中与热现象有关的宏观过程具有方向性，是不可逆的，分析问题时要注意哪些过程可以“自发”进行，哪些过程不会达到100%的转化。〖针对训练1〗(多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是()A.电流的能不可能全部变为内能B.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C.热机中，燃气内能不可能全部变为机械能D.在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体〖解析〗根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由焦耳定律可知)，但内能不可能全部变成电流的能，而不产生其他影响。机械能可全部转变为内能，而内能不可能全部转变成机械能，而不产生其他影响。在热传导中，热量只能自发地从高温物体传给低温物体，而不能自发地从低温物体传给高温物体。〖答案〗BCD核心要点热力学第一、第二定律的比较〖要点归纳〗1.热力学第二定律与热力学第一定律的比较热力学第一定律热力学第二定律区别是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机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，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础2.可逆过程与不可逆过程(1)可逆过程：在一个过程发生时，系统从状态Ⅰ经过一系列的中间状态，最后变化到状态Ⅱ，如果使系统进行逆向变化，由状态Ⅱ经历与原过程完全一样的中间状态，变化到状态Ⅰ，并且在逆向变化的过程中，原过程对外界所产生的一切影响逐步地被一一消除，在外界不留丝毫痕迹，则由状态Ⅰ到状态Ⅱ的过程，称为可逆过程。可逆过程的条件：①单纯的、无机械能耗散的机械过程是可逆的，例如，一个理想的单摆，在没有空气阻力和其他摩擦作用时，它的摆动过程是可逆的；②无摩擦、无耗散的准静态过程是可逆的，例如，如果气体膨胀或压缩的过程进行得无限缓慢，使气体在膨胀或压缩过程中的每一时刻都处于平衡态，而且没有漏气、摩擦和散热等损耗，则当此过程逆向进行时，就能重复原过程的所有中间状态并恢复原状，在外界也不留下任何痕迹，即在不考虑摩擦、漏气和散热等损耗的理想情形下，准静态过程是可逆的。(准静态过程是一种理想过程，当实际过程进行得无限缓慢时，各时刻系统的状态就无限地接近于平衡态，该过程便是准静态过程)(2)不可逆过程：如果系统不能逆向恢复到状态Ⅰ，或当系统在恢复到状态Ⅰ的逆向过程中，引起了外界的变化，在外界留下了痕迹，使外界不能恢复原状，则由状态Ⅰ到状态Ⅱ的过程，称为不可逆过程。自然界一切自发过程都是不可逆过程。例如：①气体会自动地向真空膨胀，而不会自动地向一边收缩而使另一边变成真空；②高处的水会自动地向低处流动，而不可能自发地从低处流向高处；③热量会自发地从高温物体传向低温物体，而不会自发地从低温物体传向高温物体。〖试题案例〗〖例2〗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转化的规律，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〖解析〗热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和其他形式能发生转化的方向性，两者并不矛盾，选项A、C、D错误，B正确。〖答案〗B方法总结热力学第一定律和第二定律的关系(1)热力学第一定律和第二定律两者相互独立，有着本质的区别。(2)热力学第一定律和第二定律两者相互补充，热力学第一定律是与热现象有关的物理过程中能量守恒的表达形式，而热力学第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向。〖针对训练2〗(多选)下列说法中正确的是()A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行D.一切物理过程都不可能自发地进行〖解析〗能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A正确；一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，所以不违背能量守恒定律的物理过程不一定都是可以实现的，B错误；在传热的过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C正确，D错误。〖答案〗AC核心要点对能量耗散和品质降低的理解〖阅读探究〗下面这些过程中，能量的“归宿”在哪里？流水带动水磨做功，什么能转化成了什么能？流水的机械能最终将转化为什么能？传说中，三国时代的猛将张飞站在当阳桥前一声吼，“喝断了桥梁水倒流”，吼过之后静下来，他的声能最终转化为什么能？日光灯把教室照得如同白昼，关灯后满屋漆黑。原先的光能最终将转化为什么能？把电炉接入电路，电能表转得飞快，表明消耗着电能。这些电能最终将转化为什么能？燃烧过程中燃料的化学能要释放出来。这些化学能最终将转化为什么能？〖答案〗流水带动水磨做功，水的动能转化为水磨的机械能，最后转化为内能。声能转化为水的内能。日光灯原先的光能转化为内能。电炉接入电路，电能最后转化为内能。燃料燃烧释放出来的能量最终转化为内能。〖探究归纳〗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。〖试题案例〗〖例3〗(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、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是()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方向性〖解析〗能量耗散说明能量转化的宏观过程具有方向性，符合热力学第二定律，B错误，D正确；能量耗散过程中，能量并没有消失，能量仍然守恒，A错误，C正确。〖答案〗CD温馨〖提*示〗能量耗散使可利用的能量减少，能量的品质降低。能量守恒定律依然成立，能量没有减少，但能源却会越来越少，故应节约能源。〖针对训练3〗(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〖解析〗尽管能量守恒，但耗散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，A错误，B正确；常规能源的利用比新能源核能的利用对环境影响大，C正确，D错误。〖答案〗BC1.(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〖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。〖答案〗ACD2.(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〖解析〗热力学第二