新教材同步輔導(dǎo)2023年高中物理第三章熱力學(xué)定律3.4熱力學(xué)第二定律課件新人教版選擇性必修第三冊

第三章熱力學(xué)定律學(xué)習(xí)目標1.通過對自然界中宏觀過程的分析,了解傳熱具有方向性、內(nèi)能與機械能之間的轉(zhuǎn)化具有方向性,學(xué)會通過現(xiàn)象總結(jié)規(guī)律的科學(xué)方法,培養(yǎng)觀察分析與歸納能力.2.通過對生活實例的分析,了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同的表述,并能用它解釋常見的不可逆過程,理解第二類永動機不能制成的原因,培養(yǎng)應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力.3.通過分析生活中的現(xiàn)象,了解有序、無序、熵的概念,理解熱力學(xué)第二定律的微觀實質(zhì),了解能量與能源的區(qū)別以及能源的有限性.4

熱力學(xué)第二定律知識點一

探索能量守恒的足跡1.如圖所示,將燒紅的鐵球投入冷水中,會發(fā)生什么現(xiàn)象?答案:鐵塊放熱,溫度降低,水吸熱,溫度升高,最終二者溫度相同.2.將燒紅的鐵球投入冷水中會不會出現(xiàn)鐵球溫度升高,水的溫度降低的情況?這說明什么?答案:不會出現(xiàn);說明自發(fā)的傳熱過程有方向性,即熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體,而不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體.3.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述:熱量不能

地從低溫物體傳到高溫物體.4.如圖所示,一個物體在水平放置的木板上運動,最后要停下來,在這個過程中,物體的動能轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能,物體和木板的溫度升高.該物體會不會靠降低自身溫度,把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動能,使自身運動起來呢?這說明什么?答案:不會;這說明機械能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化有方向性,機械能可以自發(fā)地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能不能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機械能.5.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述:不可能從單一熱庫吸收熱量,使之

變成功,而

其他影響.自發(fā)完全不產(chǎn)生知識點二能源是有限的1.能量耗散:像機械能、電能、光能、聲能、化學(xué)能、核能、生物能等高品質(zhì)能量被利用后最終都轉(zhuǎn)化成

,流散到周圍的環(huán)境中,這一過程叫能量耗散.2.能源的使用過程中雖然能的總量保持

,但能量的品質(zhì)下降了,雖然能量總量不會

,但

會逐步減少,因此能源是有限的資源,要節(jié)約能源.內(nèi)能守恒減少能源小試身手判斷下列說法的正誤并和同學(xué)交流(正確的打“√”,錯誤的打“×”).1.溫度不同的兩個物體接觸時,熱量會自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體.()2.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能不能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機械能.()3.在一定條件下,熱量可以從低溫物體傳到高溫物體.()4.只要對內(nèi)燃機不斷改進,就可以把內(nèi)燃機得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能.()5.傳熱的過程是具有方向性的.()6.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的.()×√√×√√探究一熱力學(xué)第二定律問題情境如圖所示,電冰箱通電后箱內(nèi)溫度低于箱外溫度,并且還會繼續(xù)降溫,直至達到設(shè)定的溫度,顯然這時熱量從低溫物體傳到了高溫物體.1.這一現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律?答案:不違背熱力學(xué)第二定律;熱量的確從低溫物體傳到了高溫物體,但這不是自發(fā)的過程,如果不供電,冰箱的壓縮機會停止工作,自發(fā)的過程則是熱量從冰箱外的高溫空氣傳向冰箱內(nèi)的低溫食品.答案:熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述闡述的是傳熱的方向性.“自發(fā)”二字指的是當(dāng)兩個物體接觸時,不需要任何第三者的介入、不會對任何第三者產(chǎn)生任何影響.2.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述,從哪個方面闡述了宏觀自然過程的方向性?如何理解“自發(fā)”二字?3.請從能量的角度,說明熱機工作過程中是如何完成能量轉(zhuǎn)化的.答案:熱機的工作分為兩個階段:第一個階段是燃燒燃料,把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能;第二個階段是工作物質(zhì)推動活塞對外做功,把自己的內(nèi)能變成機械能.4.熱機工作時,汽缸中的氣體得到的燃料燃燒時產(chǎn)生的熱量Q1,氣體推動活塞做功W,排出的廢氣通過冷凝器把熱量Q2散發(fā)到大氣中,請根據(jù)能量守恒定律說明Q1、W、Q2之間的關(guān)系.熱機的效率為多少?

5.通過技術(shù)改進,熱機的效率能達到100%嗎?為什么?答案:熱機效率不可能達到100%.因為Q1=W+Q2,而Q2>0,所以Q1>W,η<1.這說明即使沒有摩擦和漏氣,也沒有機體熱量的損失,熱機也不可能把吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為機械能,總有一部分內(nèi)能要散失到冷凝器或大氣中.6.如圖所示,絕熱汽缸中的高壓理想氣體膨脹時,推動活塞對外做功,理想氣體減少的內(nèi)能全部用來對外做功轉(zhuǎn)化為機械能,這與熱力學(xué)第二定律的開爾文表述矛盾嗎?為什么?答案:不矛盾.因為該過程的確把內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能,但是氣體的體積和壓強發(fā)生了變化,它不能循環(huán)動作返回原狀態(tài).也就是說產(chǎn)生其他影響時,內(nèi)能是可以全部轉(zhuǎn)化為機械能的.過程建構(gòu)1.對熱力學(xué)第二定律的理解.(1)“自發(fā)地”是指熱量從高溫物體傳給低溫物體的方向性.在傳熱過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響,也不需要借助其他物體提供能量等.(2)關(guān)于“不可能”:實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時,除了從單一熱庫吸收熱量對外做功,以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝?過程所產(chǎn)生的其他一切影響,用任何辦法都不可能加以完全消除.(3)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響,如吸熱、放熱、做功等.2.熱力學(xué)第二定律的實質(zhì).熱力學(xué)第二定律的每一種表述,都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性,使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.3.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的.4.熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律的關(guān)系.熱力學(xué)第一定律描述的是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程中能量守恒的特殊表達形式,說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系;熱力學(xué)第二定律指出了能量守恒能實現(xiàn)的條件和過程進行的方向,指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆,除非靠外界影響;二者既相互獨立,又相互補充.【典例1】(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律,下列說法正確的是(

)A.熱機中燃氣的內(nèi)能不可能全部變成機械能B.電能不可能全部轉(zhuǎn)變成內(nèi)能C.在火力發(fā)電機中,燃氣的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變成電能D.在傳熱中,熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體解析:凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性.無論采用何種設(shè)備和手段進行能量轉(zhuǎn)化,熱機的效率都不可能達到100%,熱機中燃氣的內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能,選項A正確.火力發(fā)電機發(fā)電時,能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機械能→電能,因為內(nèi)能→機械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量,燃氣的內(nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?選項C正確.熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)地進行,必須借助外界的幫助,這會帶來其他影響,選項D正確.由電流的熱效應(yīng)中的焦耳定律可知,電能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,選項B錯誤.答案:ACD理解熱力學(xué)第二定律的實質(zhì),即自然界中進行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性,是不可逆的,關(guān)鍵在于理解“自發(fā)”和“不引起其他變化”.探究二第二類永動機問題情境第二類永動機——人們把想象中能夠從單一熱源吸收熱量,全部用來做功而不引起其他變化的熱機叫作第二類永動機,其示意圖如圖所示.歷史上首個成型的第二類永動機裝置設(shè)想是利用海水的熱量將液氨汽化,推動機械運轉(zhuǎn),但是這一裝置無法持續(xù)運轉(zhuǎn),因為汽化后的液氨在沒有低溫?zé)釒齑嬖诘臈l件下無法重新液化,因而不能完成循環(huán).第二類永動機是否違反能量守恒定律?從理論上分析其不能制成的原因.答案:第二類永動機的設(shè)想不違反能量守恒定律.不能制成的原因:機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性,盡管機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機械能,同時不引起其他變化,所以第二類永動機違背了跟熱現(xiàn)象相聯(lián)系的宏觀自然過程具有方向性的規(guī)律.過程建構(gòu)1.熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性.告誡人們:第二類永動機不可能制成.

.2.兩類永動機的比較.項目第一類永動機第二類永動機設(shè)計要求不消耗任何能量,可以不斷地做功(或只給予很少的能量啟動后,可以永遠運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能,而不引起其他變化(或只有一個熱源,實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)不能制成的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學(xué)第二定律【典例2】(多選)關(guān)于兩類永動機,下列說法正確的是(

)A.第一類永動機不能制成的原因是違背了能量守恒定律B.第二類永動機違反了能量守恒定律,所以不可能制成C.第二類永動機不可能制成,說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能D.第二類永動機不可能制成,說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能,同時不引起其他變化答案:

AD解析:第一類永動機不能制成是因為違背了能量守恒定律,選項A正確.第二類永動機不違反能量守恒定律,但是違反熱力學(xué)第二定律,選項B錯誤.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能在引起其他變化時可以全部轉(zhuǎn)化為機械能,選項C錯誤,選項D正確.探究三熵與熵增加原理問題情境圖甲是體育課學(xué)生自由活動的情景,圖乙是學(xué)生在教室上課時的情景.甲乙1.觀察兩幅圖片,哪幅圖片中的人處于有序狀態(tài)?哪幅圖片中的人處于無序狀態(tài)?答案:圖甲中的人處于無序狀態(tài);圖乙中的人處于有序狀態(tài).2.物理學(xué)上這種無序程度如何表示?答案:物理學(xué)中用熵來表達一個系統(tǒng)的無序程度,越無序熵越大.3.在物理學(xué)中,不與外界進行物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)叫作孤立系統(tǒng).在自發(fā)過程中,孤立系統(tǒng)的熵如何變化?答案:孤立系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展,即一個孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的,這就是熵增加原理.4.熵增加原理與熱力學(xué)第二定律之間存在什么關(guān)系?答案:熵增加原理是熱力學(xué)第二定律的微觀解釋,熱力學(xué)第二定律是熵增加原理的宏觀表現(xiàn),因此熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律.1.熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量,正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動能大小一樣.系統(tǒng)的狀態(tài)越混亂,無序程度越大,這個系統(tǒng)的熵越大.2.系統(tǒng)狀態(tài)自發(fā)變化時,總是向著無序程度增加的方向發(fā)展,至少無序程度不會減少.也就是說,系統(tǒng)狀態(tài)自發(fā)變化時,總是由熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)發(fā)展.從熵的意義上來說,系統(tǒng)狀態(tài)自發(fā)變化時,總是向著熵增加的方向發(fā)展,不會使熵減小.過程建構(gòu)【典例3】(多選)從微觀角度看,下列說法正確的是(

)A.熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律B.一個非孤立的系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展C.一個宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)越多,越是無序,熵值越大D.出現(xiàn)概率越大的宏觀狀態(tài),熵值越大解析:一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行.熵用來描述系統(tǒng)的無序程度.在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的熵總不會減小,也就是說,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.這反映了一個孤立系統(tǒng)的自然過程會沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行.對于一個非孤立的系統(tǒng),在與外界有能量交換時其熵也有可能變小.選項B錯誤,選項A、C、D正確.答案:ACD判斷有序及無序的解決方案及注意問題課堂評價1.(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,下列說法正確的有(

)A.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體,但不能從低溫物體傳到高溫物體B.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體,也可以從低溫物體傳到高溫物體C.功可以全部變成熱量,但熱量不可能全部變成功D.功可以全部變成熱量,熱量也可能全部變成功答案:BD解析:熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體;當(dāng)外界對系統(tǒng)做功時,可以使系統(tǒng)從低溫物體吸收熱量傳到高溫物體,選項A錯誤,選項B正確.一個運動的物體,克服摩擦阻力做功,最終停止,在這個過程中功全部變成熱量;當(dāng)外界條件發(fā)生變化時,熱量也可以全部變成功,如在理想氣體的等溫膨脹過程中,系統(tǒng)吸收的熱量全部變成對外界做的功,選項C錯誤,選項D正確.2.下列說法正確的是 (

)A.熱力學(xué)定律表明自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程,有的只遵守?zé)崃W(xué)第一定律B.熱力學(xué)定律表明自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程,有的只遵守?zé)崃W(xué)第二定律C.熱力學(xué)定律表明自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程,有的既不遵守?zé)崃W(xué)第一定律,也不遵守?zé)崃W(xué)第二定律D.熱力學(xué)定律表明自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程,都遵守?zé)崃W(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律答案:D解析:熱力學(xué)第一、第二定律是熱力學(xué)的基本定律,對所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都成立,選項D正確,選項A、B、C錯誤.3.(多選)下列關(guān)于熱機的說法正確的是 (

)A.熱機是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能的裝置B.熱機是把機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的裝置C.只要對內(nèi)燃機不斷進行革新,就可以把燃料燃燒釋放的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能D.即使沒有漏氣,也沒有摩擦等能量損失,內(nèi)燃機也不可能把內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能答案:AD解析:由熱機的概念可知,選項A正確,選項B錯誤.內(nèi)燃機工作時內(nèi)能的損失有多種途徑,內(nèi)燃機不可能把燃料燃燒釋放的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能,選項D正確,選項C錯誤.4.下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說法正確的是 (

)A.從微觀的角度看,熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律B.一切自然過程總是沿著分子熱運動無序程度減小的方向進行C.有的自然過程沿著分子熱運動無序程度增大的方向進行,有的自然過程沿著分子熱運動無序程度減小的方向進行D.在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的熵總減小解析:熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律,選項A正確.一切自然過程總是沿著分子熱運動無序程度增大的方向進行,選項B、C錯誤.任何自然過程中的孤立系統(tǒng)總是朝著無序程度增大的方向發(fā)展,也就是朝著熵增加的方向發(fā)展,選項D錯誤.答案:A5.

(2022·廣東卷)利用空調(diào)將熱量從溫度較低的室內(nèi)