高中物理人教版3第十章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律 第10章

4熱力學(xué)第二定律學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.知道熱傳遞、擴(kuò)散現(xiàn)象、機(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等都具有方向性．具有方向性的過程是不可逆的．(重點(diǎn))2.理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成．(難點(diǎn)、重點(diǎn))3.學(xué)會(huì)用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題．(重點(diǎn))4.學(xué)會(huì)運(yùn)用熱力學(xué)第二定律解決一些實(shí)際問題．(難點(diǎn))熱力學(xué)第二定律的一種表述eq\a\vs4\al([先填空])1．熱傳導(dǎo)的方向性(1)熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體．(2)熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體．(3)熱傳導(dǎo)過程是有方向性的．2．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體．即熱傳導(dǎo)的過程具有方向性．eq\a\vs4\al([再判斷])1．溫度不同的兩個(gè)物體接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體．(×)2．熱傳導(dǎo)的過程是具有方向性的．(√)3．熱量不能由低溫物體傳給高溫物體．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，我們所說的“自發(fā)地”指的是沒有任何的外界影響或者幫助．電冰箱是讓“熱”由低溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境．這是不是自發(fā)進(jìn)行的？說明理由．圖10-4-1【提示】電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，在該過程中電冰箱要消耗電能．一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱量會(huì)自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高．2．熱傳遞的方向性能否簡單理解為“熱量不會(huì)從低溫物體傳給高溫物體”？【提示】不能．“自發(fā)地”是指沒有第三者影響，例如空調(diào)、冰箱等制冷機(jī)就是把熱量從低溫物體傳到了高溫物體，但是產(chǎn)生了影響，即外界做了功．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])熱傳導(dǎo)的方向性1．“自發(fā)地”是指沒有任何外界的影響或幫助．如：重物下落、植物的開花結(jié)果等都是自然界客觀存在的一些過程，它們不受外來干擾，這就是自發(fā)的過程；而在夏天，室內(nèi)溫度比外界低，用空調(diào)卻還能不斷地把室內(nèi)熱量向外界傳遞，是因?yàn)殡娏鲗?duì)空調(diào)做了功，不是自發(fā)的過程．2．熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，是因?yàn)閮烧叽嬖谥鴾囟炔?，而不是熱量從?nèi)能大的物體傳遞到內(nèi)能小的物體，由內(nèi)能的定義可知，溫度低的物體有可能比溫度高的物體內(nèi)能大．1．關(guān)于熱傳導(dǎo)的方向性．下列說法正確的是()A．熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體B．熱量能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體C．在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體D．熱量一定不可能從低溫物體傳給高溫物體E．熱量既可以從高溫物體傳遞到低溫物體，也可以從低溫物體傳遞到高溫物體【解析】在有外力做功的情況下，熱量可以從低溫物體傳遞給高溫物體；而在自發(fā)的條件下，熱量只能從高溫物體傳給低溫物體，故A、C、E選項(xiàng)正確．【答案】ACE2．關(guān)于制冷機(jī)制冷過程的說法中，正確的是()A．此過程違反了熱力學(xué)第二定律B．此過程沒有違反熱力學(xué)第二定律C．此過程違反了能量守恒定律D．此過程沒有違反能量守恒定律E．此過程在消耗電能的前提下，熱量從低溫物體傳給高溫物體【解析】制冷機(jī)可以從低溫物體吸收熱量傳給高溫物體，但必須消耗電能，熱力學(xué)第二定律并不否認(rèn)熱量可從低溫物體傳給高溫物體，關(guān)鍵是“不產(chǎn)生其他影響”，A錯(cuò)誤，B、E正確，任何物理過程都不違反能量守恒定律，C錯(cuò)誤，D正確．【答案】BDE3．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說法正確的是()A．熱機(jī)中燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成機(jī)械能B．電能不可能全部轉(zhuǎn)變成內(nèi)能C．在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變成電能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物體E．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律【解析】凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性．無論采用任何設(shè)備和手段進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，總是遵循“機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能”，故A正確；火力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機(jī)械能→電能，因?yàn)閮?nèi)能→機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程中會(huì)對(duì)外放出熱量，故燃?xì)獾膬?nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?，C正確；熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行，必須借助外界的幫助，結(jié)果會(huì)帶來其他影響，這正是熱力學(xué)第二定律第一種(克氏)表述的主要思想，故D正確．由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知，電能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．故B錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律，故E錯(cuò)誤．【答案】ACD理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，即自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.理解的關(guān)鍵在于“自發(fā)”和“不引起其他變化”熱力學(xué)第二定律的開爾文表述eq\a\vs4\al([先填空])1．熱機(jī)(1)熱機(jī)工作的兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能．第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外做功，把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能．(2)熱機(jī)的效率：熱機(jī)輸出的機(jī)械功W與燃料產(chǎn)生的熱量Q的比值．用公式表示：η＝W/Q.2．開爾文表達(dá)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．(該表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)3．熱力學(xué)第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有方向性．(2)氣體向真空的自由膨脹是不可逆的．(3)第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的．4．第二類永動(dòng)機(jī)(1)定義：只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)．(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因：雖然第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但大量的事實(shí)證明，在任何情況下，熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱庫，熱機(jī)要不斷地把吸收的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)釒欤甧q\a\vs4\al([再判斷])1．第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律．(√)2．科技發(fā)達(dá)后，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%；(×)3．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能自發(fā)的全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．如圖10-4-2所示，在甲圖的活塞上輕輕放上一塊小物體，重力做功將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能，氣體溫度升高與外界進(jìn)行熱交換，直到乙圖所示的狀態(tài)，活塞還能自發(fā)地返回原位置嗎？甲乙圖10-4-2【提示】活塞不能返回原位置，氣體不會(huì)自發(fā)地吸收熱量將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，因?yàn)檫@違背了熱力學(xué)第二定律．2．隨著科技的不斷發(fā)展，假如能夠使熱機(jī)沒有漏氣，沒有摩擦，也沒有機(jī)體熱量損失，是不是能夠使熱機(jī)效率達(dá)到100%?【提示】不能，原因是熱機(jī)的工作物質(zhì)吸收的熱量不能完全用來做功，這違背了熱力學(xué)第二定律．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．開爾文表述中的“單一熱源”指溫度恒定且均勻的熱源．“不引起其他變化”是指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化．其物理實(shí)質(zhì)揭示了熱變功過程是不可逆的．2．熱力學(xué)第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的．3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動(dòng)后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去)．第二類永動(dòng)機(jī)：將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個(gè)熱源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)．4．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說法中正確的是()A．不可能從單一熱源吸熱并把它全部用來做功，而不引起其他變化B．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)的C．制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣而不引起其他變化D．在火力發(fā)電中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成電能E．空調(diào)機(jī)在制冷過程中，從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量【解析】熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，A對(duì)；機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須有外界的幫助，故B錯(cuò)；冰箱向外傳遞熱量時(shí)消耗了電能，故C錯(cuò)；火力發(fā)電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機(jī)械能→電能，因?yàn)閮?nèi)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化過程中會(huì)對(duì)外放出熱量，故燃?xì)獾膬?nèi)能必然不會(huì)全部變?yōu)殡娔?，故D對(duì)；不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其它影響，即第二類永動(dòng)機(jī)不存在，故E正確．【答案】ADE5．關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學(xué)規(guī)律，下列說法中不正確的是()A．隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并達(dá)到絕對(duì)零度，最終實(shí)現(xiàn)熱機(jī)效率100%B．熱量是不可能從低溫物體傳遞給高溫物體的C．第二類永動(dòng)機(jī)遵從能量守恒，故能做成D．用活塞壓縮汽缸里的空氣，對(duì)空氣做功×105J，同時(shí)空氣向外界放出熱量×105J，則空氣的內(nèi)能增加了×105JE．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化【解析】由熱力學(xué)第二定律知B、C錯(cuò)；絕對(duì)零度不可達(dá)到，A錯(cuò)；由熱力學(xué)第一定律知D正確；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化內(nèi)能，內(nèi)能在引起其他變化時(shí)可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故E正確．【答案】ABC6.如圖10-4-3中汽缸內(nèi)盛有定量的理想氣體，汽缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣，現(xiàn)將活塞桿緩慢向右移動(dòng)，這樣氣體將等溫膨脹并通過桿對(duì)外做功．若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說法不正確的是()圖10-4-3A．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對(duì)外做功，此過程違背熱力學(xué)第二定律B．氣體是從單一熱源吸熱，但并未全部用來對(duì)外做功，此過程不違背熱力學(xué)第二定律C．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對(duì)外做功，此過程不違背熱力學(xué)第二定律D．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對(duì)外做功，此過程不違背熱力學(xué)第一定律E．以上四種說法都不對(duì)【解析】由于氣體始終通過汽缸與外界接觸，外界溫度不變，活塞桿與外界連接并使其緩慢地向右移動(dòng)過程中，有足夠時(shí)間進(jìn)行熱交換，氣體等溫膨脹，所以汽缸內(nèi)的氣體溫度不變，內(nèi)能也不變，該過程氣體是從單一熱源即外部環(huán)境吸收熱量，即全部用來對(duì)外做功才能保證內(nèi)能不變，此過程既不違背熱力學(xué)第二定律，也不違背熱力學(xué)第一定律，此過程由外力對(duì)活塞做功來維持