高二物理選修3-3熱力學(xué)第二定律

1、高二物理選修3-3 熱力學(xué)第二定律【知識要點(diǎn)】1. 熱力學(xué)第二定律的兩種表述（ 1）克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。（ 2）開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。2. 第二類永動機(jī)（ 1）設(shè)想：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。（ 2）第二類永動機(jī)不可能制成，表示盡管機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而不引起其他變化；機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。3. 熱力學(xué)第二定律的微觀意義和熵增加原理（ 1）熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行。（ 2）

2、熵：熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動論的觀點(diǎn)來看，熵是分子熱運(yùn)動無序（混亂）程度的定量量度。（ 3）熵增加原理：在絕熱過程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的，叫做熵增加原理。對于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。4. 能量耗散：系統(tǒng)的內(nèi)能流散到周圍環(huán)境中，沒有辦法把這些內(nèi)能收集起來加以利用，這種現(xiàn)象叫做能量耗散?！镜湫屠}】例 1 下列說法中可以實現(xiàn)的是（）A 氣體在某狀態(tài)變化過程中從單一熱源吸熱，全部

3、用來對外做功；B.制造一種機(jī)器，把物體與地面摩擦所產(chǎn)生的熱量全部收集起來再全部加以使用；C.只要對內(nèi)燃機(jī)不斷進(jìn)行改進(jìn)，它可以把氣體的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；D 即使沒有漏氣，沒有摩擦的能量損失，內(nèi)燃機(jī)也不可能把內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。例 2下面關(guān)于熵的說法錯誤的是（）A 熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動無序程度的量度B.在孤立系統(tǒng)中，一個自發(fā)的過程總是向嫡減少的方向進(jìn)行C.熱力學(xué)第二定律的微觀實質(zhì)是嫡是增加的，因此熱力學(xué)第二定律又叫嫡增加原理D 熵值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動越無序例3.熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象.所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把流散的能量重新收集、重新加以利用下列關(guān)于能量耗散

4、的說法中正確的是（）A 能量耗散說明能量不守恒B.能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C.能量耗散過程中能量仍守恒D .能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性例4.熱力學(xué)第二定律常見的表述有兩種。第一種表述：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化；第二種表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。圖（a）是根據(jù)熱力學(xué)第二定律的第二種表述畫出的示意圖：任何熱機(jī)要維持運(yùn)行必須與外界有兩個通道（熱源）交換熱量；機(jī)器從一個通道 （高溫?zé)嵩矗┲形∧芰浚徊糠钟脕硗瓿扇藗冃枰龅墓?，另一部分不可避免地從另外一個通道（低溫?zé)嵩矗┲猩l(fā)開去。請你根據(jù)

5、第一圖（c）圖（a）高溫物體制冷機(jī)低溫物體種表述完成示意圖（b）。根據(jù)你的理解，熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)是圖（b）【當(dāng)堂反饋】1 .根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是（）A.電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能B.在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔蹸.熱機(jī)中，燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能D.在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫度物體.2.圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時，強(qiáng)迫致冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。*在蒸發(fā)器中致冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時致冷 劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是（）A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B.電冰箱的致冷系統(tǒng)能夠不斷地

6、把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，為其消耗了電能C.電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第一定律D.電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律3.用隔板將一絕熱容器隔成 A和B兩部分，A中盛有一定質(zhì)量的理想氣體，）?，F(xiàn)把隔板抽去，A中的氣體自動充滿整個容器（如圖），這個過程稱為氣體的自由膨脹。下列說法正確的是（）A.自由膨脹過程中，氣體分子只作定向運(yùn)動B.自由膨脹前后，氣體的壓強(qiáng)不變C.自由膨脹前后，氣體的溫度不變D.容器中的氣體在足夠長的時間內(nèi)，能全部自動回到A部分4.在一個封閉的房間里有一根長鐵棒， A B是它的左右兩端，忽然，熱量由 A傳給B,使 端的溫度升高，達(dá)到 20000C以上，A端的溫度降低，低到零下 1

7、000G這件事可能嗎？它違反 熱力學(xué)第一定律嗎？它違反熱力學(xué)第二定律嗎？作業(yè)本：1.下列關(guān)于熱現(xiàn)象的說法，正確的是A.外界對物體做功，物體的內(nèi)能一定增加B.氣體的溫度升高，氣體的壓強(qiáng)一定增大C.任何條件下，熱量都不會由低溫物體傳遞到高溫物體D.任何熱機(jī)都不可能使燃料釋放的熱量完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能2.關(guān)于永動機(jī)和熱力學(xué)定律的討論，下列敘述正確的是A.第二類永動機(jī)違反能量守恒定律B.如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內(nèi)能一定增加C.外界對物體做功，則物體的內(nèi)能一定增加D .做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)來看這兩種改變方式是 有區(qū)別的2點(diǎn)插在冷水中，如圖所3.用兩種不同的金屬

8、絲組成一個回路，接觸點(diǎn)1插在熱水中，接觸示，電流計指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象。關(guān)于這一現(xiàn)象，正確說法是（）A.這一實驗過程不違反熱力學(xué)第二定律；B.在實驗過程中，熱水一定降溫、冷水一定升溫；C.在實驗過程中，熱水內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能，電能則部分轉(zhuǎn)化成 冷水的內(nèi)能。D.在實驗過程中，熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能，電能則全部 轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能。4.熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是（）A.能量耗散說明能量不守恒B.能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C.能量耗散過程中能量仍守恒D .能量

9、耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性大壩壩高（m）185壩長（m）2335取大畜水位（m）175水 庫總庫容量（m3）103.930 10防洪庫容量（m3）io2.215 105.下列說法不正確的是（）A.嫡和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定B.從分子運(yùn)動論的觀點(diǎn)來看，嫡是分子熱運(yùn)動無 序（混亂）程度的定量量度C.在絕熱過程或 孤立系統(tǒng)中，嫡可 能增加，也可能減 少D.自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展6 .如圖氣缸內(nèi)盛有定量的理想氣體，氣缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與氣缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣。現(xiàn)將活塞桿與外界連接使之緩慢地向右移動，這

10、樣氣體將等溫膨脹并通過桿對外做功。若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說法中正確的是（）A.氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，因此此過程違反熱力學(xué)第二定律 B.氣體是從單一熱源吸熱，但并未全部用來對外做功，因此此過程不違反熱力學(xué)第二定律 C.氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，但此過程不違反熱力學(xué)第二定律 D.以上三種說法都不對7 . 一個物體在粗糙的平面上滑動，最后停止，系統(tǒng)的嫡如何變化？ 一定質(zhì)量的氣體被壓縮， 從而放出熱量，其嫡怎樣變化？8 .長江三峽工程位于長江西陵峽中段，壩址在湖北省宜昌市三斗坪.三峽工程是一座具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)及養(yǎng)殖和供水巨大綜合利用效益的特大型水利

11、水電工程，長江三峽具有豐富的水利資源，其主要數(shù)據(jù)如表1、表2所不。表1表2電站總裝機(jī)數(shù)（臺）26總裝機(jī)容量（kw）1.820 X107年平均發(fā)電量（kW h）_108.468 M0通航萬噸級雙線5級船閘（座）13000噸級單線垂直升船機(jī)（座）1年單向通船能力（總噸數(shù)）（t）5X107平均年流量（m3）114.510 10請根據(jù)表1、表2的有關(guān)數(shù)據(jù)回答下列問題。最大蓄水位h、平均年流量、年平均消耗水能分別為多少？轉(zhuǎn)化為電能的百分比刀為多少？ （2）若26臺發(fā)電機(jī)組全部建成并發(fā)電，按設(shè)計要求年發(fā)電時間為多少天？9 .據(jù)中國環(huán)境報報道：從一份科技攻關(guān)課題研究結(jié)果顯示，我國酸雨區(qū)已占國土面積的40%以

12、上，研究結(jié)果還表明，我國農(nóng)業(yè)每年因遭受酸雨而造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)15億多元.為了有效控制酸雨，目前國務(wù)院已批準(zhǔn)酸10.雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)劃分方案等法規(guī).（1）在英國進(jìn)行的一項研究結(jié)果表明：高煙囪可有效地降低地面濃度.在20世紀(jì)的6070年代的10年間，由發(fā)電廠排放的增加了 35%,但由于建造高煙囪的結(jié)果，地面濃度降低了 30%之多.請你從全球環(huán)境保護(hù)的角度，分析這種作法是否可??？說其理由（2）用傳統(tǒng)的煤、石油做燃料，其主要缺點(diǎn)是什么？與傳統(tǒng)的煤、石油做燃料相比，哪種物 質(zhì)可以作為新能源？主要優(yōu)點(diǎn)是什么缺點(diǎn)又是什么？10 . （1） 1791年，米被定義為：在經(jīng)過巴黎的子午線上，取從赤道

13、到北極長度的一千萬分之一。請由此估算地球的半球 Ro （答案保留二位有效數(shù)字）（2）太陽與地球的距離為 1.5X 1011m,太陽光以平行光束入射到地面。地球表面2/3的面積被水覆蓋，太陽在一年中輻射到地球水面部分的總能量W約為1.87M10 24 J。設(shè)水面對太陽輻射的平均反射率為 7%,而且將吸收到的35%能量重新輻射出去。太陽輻射可將水面的水蒸 發(fā)（設(shè)在常溫、常壓下蒸發(fā) 1Kg水需要2.2M106J的能量），而后凝結(jié)成雨滴降落到地面。則（a）估算整個地球表面的年平均降雨量（以毫米表示，球面積為4rR2）（b）太陽輻射到地球的能量只有約 50%于是達(dá)地面，W只是其中的一部分。 太陽輻射到地

14、球的 能量沒有全部到達(dá)地面，這是為什么？請說明兩個理由。【典型例題】例1: AD.對于A選項有特例：一定質(zhì)量的理想氣體等溫膨脹過程，內(nèi)能不變，吸收的熱量全 部對外做，當(dāng)然引起了其它變化，不違背熱力學(xué)第二定律的表述：不可能從單一熱源吸收熱量而全部對外做功而不引起其它變化。例2: B.熱力學(xué)第二定律提示： 一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動無序性增大的方向進(jìn)行的。例如，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C(jī)械能或電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的過程是大量分子的有序運(yùn)動向無序運(yùn)動轉(zhuǎn)化，氣缸內(nèi)燃?xì)馔苿踊钊龉θ細(xì)夥肿幼饔行蜻\(yùn)動，排出氣缸后作越來越無序的運(yùn)動。 物理學(xué)中用嫡來描述系統(tǒng)大量分子運(yùn)動的無序性程度。 熱力學(xué)第二定律用嫡可表述為： 在任何

15、自然過程中， 一個孤立系統(tǒng)的總嫡不會減小，也就是說，一個孤立系統(tǒng)的嫡總是從嫡小的狀態(tài)向嫡大的狀態(tài)發(fā)展。 反映了一個孤立系統(tǒng)的自然過程會沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行?？v上所述可知 A、 C、 D 說法是正確的，只有B 說法與熱力學(xué)第二定律相悖。例3: C、D.所謂能量耗散并不會使總能量減少，但能量將從高度有用的形式降為不大可用的形式。能量耗散過程中能量仍然守恒。所以A 錯 C 對。能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性，熱力學(xué)第二定律已經(jīng)指出了能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化具有方向性，從微觀的角度看是大量分子運(yùn)動有序向無序的變化過程。所以B 錯 D 正確。例4:觀察圖（b）可知

16、，制冷機(jī)是通過外力做功把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的，其示意圖見圖（c） 。這說明熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，但在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體。熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)是：自然界中進(jìn)行的與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過程都具有方向性。【當(dāng)堂反饋】1 B、 C、 D 根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮?nèi)能（由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知），而內(nèi)能不可能全部變成電流的能機(jī)械能可全部變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部變成機(jī)械能，在熱傳導(dǎo)中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體，所以選項B、 C、 D 正確2 B

17、C 由熱力學(xué)第二定律知，熱量不能自發(fā)的有低溫物體傳到高溫物體，除非施加外部的影響和幫助。電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫外部，需要壓縮機(jī)的幫助并消耗電能。3 C.氣體自由膨脹過程中，不對外做功，絕熱容器，氣體也不從外界吸收熱量，氣體內(nèi)能不變，即氣體的溫度不變，而由熱力學(xué)第二定律可知，宏觀的熱現(xiàn)象都具有方向性，容器中的氣體在足夠長的時間內(nèi)，不能全部自動回到A部分。4 熱量由A傳給B, B端的溫度升高，內(nèi)能增加，而 A端的溫度降低，內(nèi)能減少，這沒有違背能量守恒定律，即沒有違反熱力學(xué)第一定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，因為，熱量是不會自發(fā)的由低溫物體傳給高溫物體而不引起其它變化的本題中，兩端的溫度相同

18、，無溫度差，根本不會發(fā)生熱傳遞作業(yè)本：1 . D.外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加、減小還是不變要看吸熱情況，所以 A錯；氣體壓強(qiáng)與溫度和體積兩個因數(shù)有關(guān)，所以B 錯；在一定條件下熱量都不會由低溫物體傳遞到高溫物體， C 錯 .2 D 第二類永動機(jī)并不違反能量守恒定律，跟熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程均具有方向性。做功和熱傳遞是改變物體的內(nèi)能的兩種方式，做功是內(nèi)能和其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化，熱傳遞是內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)移。3 ABD4 CD5 . C.在絕熱過程或孤立系統(tǒng)中，嫡是增加的，叫做嫡增加原理。對于其它情況，系統(tǒng)的熵可能增加，也可能減小。也即是說一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著

19、較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。6 . C. 一定質(zhì)量的理想氣體等溫膨脹過程，內(nèi)能不變，吸收的熱量全部對外做，當(dāng)然已經(jīng)引起了其它變化，不違背熱力學(xué)第二定律的表述7 .因為物體由于受到摩擦力而停止運(yùn)動，其動能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無規(guī)則運(yùn) 動的程度，使得無規(guī)則運(yùn)動加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無序程度增加了，所以系統(tǒng)的嫡增加。氣體被 壓縮過程中，體積減小，分子間的相對位置越來越確定，系統(tǒng)的無序程度越來越小，所以嫡減 小。8 .解析：（1）由表1知最大蓄水位為175m；平均年流量為4.510 1011m3；年平均消耗水能E=mgh =4.510 >011 X103X9.8 175J=7.9 W17J;轉(zhuǎn)化為電能的百分比y =E/E=8.468M010X103>3600 /7.9 10=38.6%。（2）設(shè)年發(fā)電時間為 t, t=E 電/P=8.468 X 1010/1.820 X 10 7h=193.9d。9 .解析：本題涉及能源、環(huán)保等社會熱點(diǎn)問題，我們要從化學(xué)視角去關(guān)注這些與生態(tài)環(huán)境、人們的健康密切相關(guān)的問題