【同步】高中物理魯科版(2019)選擇性必修3：第3章第3節(jié)熱力學(xué)第二定律課件

第3章第3節(jié)熱力學(xué)第二定律課標(biāo)要求1.通過自然界中宏觀過程的方向性,了解熱力學(xué)第二定律。(物理觀念)2.了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述,以及兩種表述的物理實質(zhì)。(物理觀念)3.了解什么是第二類永動機,知道為什么它不可能制成。(物理觀念)基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)一、可逆過程與不可逆過程1.可逆過程:一個系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā),經(jīng)過某一過程達(dá)到另一狀態(tài),如果存在另一過程,它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原,即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài),同時消除原來過程對外界的一切影響,則原來的過程稱為

;如果用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原,則原來的過程稱為

。

2.熱傳遞是不可逆過程,具有

。

3.功熱轉(zhuǎn)化這一現(xiàn)象是不可逆的,具有

。

4.凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有

。

可逆過程

不可逆過程方向性方向性方向性二、熱力學(xué)第二定律及第二類永動機1.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述:不可能使熱量從

物體傳向

物體而不引起其他變化。

2.熱機(1)熱機工作的兩個階段:第一個階段是燃燒燃料,把燃料中的

轉(zhuǎn)化為工作物質(zhì)的

。第二個階段是工作物質(zhì)對外

,把自己的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為

。

(2)熱機的效率η:熱機對外做的

與它從高溫?zé)嵩次盏?/p>

的比值,用公式表示為

。熱機的效率不可能達(dá)到100%。

低溫高溫化學(xué)能內(nèi)能做功機械能功熱量3.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述:不可能從單一熱源

熱量,使之完全用來

而不引起其他變化。

4.第二類永動機(1)第二類永動機:從單一熱源吸收熱量并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其他變化的機器。(2)第二類永動機是

實現(xiàn)的。

吸收做功不可能想一想熱傳遞的方向性能否簡單理解為“熱量不會從低溫物體傳給高溫物體”?提示

不能。兩個溫度不同的物體相互接觸時,熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,使高溫物體的溫度降低,低溫物體的溫度升高,這個過程是自發(fā)進行的,不需要任何外界的影響或者幫助,有時我們也能實現(xiàn)熱量從低溫物體傳給高溫物體,如電冰箱,但這不是自發(fā)進行的,需要消耗電能。易錯辨析

判一判(1)熱量不會從低溫物體傳給高溫物體。(

)(2)機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能也可能完全轉(zhuǎn)化為機械能。(

)(3)可以從單一熱源吸收熱量,使之完全用來做功。(

)(4)第二類永動機違背了能量守恒定律。(

)提示

熱量可以從低溫物體傳向高溫物體,例如電冰箱。

提示

第二類永動機違背了熱力學(xué)第二定律。

×√√×即學(xué)即用

練一練在研究性學(xué)習(xí)的過程中,同學(xué)們提出了以下四個活動方案,從理論上講可行的是(

)A.將散失在周圍環(huán)境中的內(nèi)能全部收回再利用B.發(fā)明一種制冷設(shè)備,使溫度降至絕對零度C.汽車尾氣中各類有害氣體排入大氣后發(fā)生擴散現(xiàn)象嚴(yán)重污染了空氣,使它們自發(fā)地聚在一起,既清潔了空氣,又變廢為寶D.在房屋頂部蓋上太陽能板,可用太陽能來解決照明和熱水問題D解析

系統(tǒng)的內(nèi)能流失到周圍環(huán)境中,想要全部收回再利用只能消耗更多能源,A錯誤;溫度不能無限降低,絕對零度不可能達(dá)到,B錯誤;擴散現(xiàn)象具有方向性,逆過程不可能自發(fā)進行,C錯誤;太陽能可以用來發(fā)電和進行加熱,D正確。重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究一對熱力學(xué)第二定律的理解情境探究如圖所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖,通過示意圖思考以下問題:(1)制冷機工作時熱量是自發(fā)地從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩磫?(2)熱機工作時能否將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳坑脕碜龉?要點提示

(1)不是

(2)不能

知識歸納1.自然過程的方向性(1)熱傳導(dǎo)具有方向性兩個溫度不同的物體相互接觸時,熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,而低溫物體不可能自發(fā)地將熱量傳給高溫物體,要實現(xiàn)低溫物體向高溫物體傳遞熱量,必須借助外界的幫助,因而產(chǎn)生其他影響或引起其他變化。(2)氣體的擴散現(xiàn)象具有方向性兩種不同的氣體可以自發(fā)地進入對方,最后成為均勻的混合氣體,但這種均勻的混合氣體,決不會自發(fā)地分開,恢復(fù)為原來兩種不同的氣體。(3)機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性物體在水平面上運動,因摩擦而逐漸停止下來,但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后,在地面上重新運動起來。(4)氣體向真空膨脹具有方向性氣體可自發(fā)地向真空容器內(nèi)膨脹,但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出,使容器內(nèi)變?yōu)檎婵铡?.在熱力學(xué)第二定律的表述中,“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”“單一熱源”“不可能”的含義(1)“自發(fā)地”是指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性。在傳遞過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體提供能量等。(2)“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。(3)“單一熱源”:指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)。若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定,則構(gòu)成機器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作,從而可以對外做功。(4)“不可能”:實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時,除了從單一熱源吸收熱量對外做功,以及熱量從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩匆酝?過程所產(chǎn)生的其他一切影響,不論用任何的辦法都不可能加以消除。畫龍點睛

(1)熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價的。(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(rèn)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。應(yīng)用體驗典例1

(2020全國Ⅱ卷)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)換過程的敘述,違背熱力學(xué)第一定律的有

;不違背熱力學(xué)第一定律,但違背熱力學(xué)第二定律的有

。(填正確答案標(biāo)號)

A.汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱B.冷水倒入保溫杯后,冷水和杯子的溫度都變得更低C.某新型熱機工作時將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功,而不產(chǎn)生其他影響D.冰箱的制冷機工作時從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)BC解析

B項中,冷水倒入保溫杯后,在熱傳遞過程中,保溫杯降溫,冷水必升溫,若都降溫,就違背了熱力學(xué)第一定律;C項中,新型熱機的效率也達(dá)不到100%,熱量不可能全部轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他影響,C項違背了熱力學(xué)第二定律。規(guī)律方法

1.一切物理過程均遵守能量守恒定律,但遵守能量守恒定律的物理過程不一定都能實現(xiàn)。2.熱力學(xué)第二定律的兩種表述分別對應(yīng)著一種“不可能”,但都有一個前提條件“自發(fā)地”或“不產(chǎn)生其他影響”,如果去掉這種前提條件,就都是有可能的。例如電冰箱的作用就是使熱量從低溫物體傳到高溫物體,等溫膨脹就是從單一熱源吸收熱量,使之完全用來做功,但不是自發(fā)地或是產(chǎn)生了其他影響。針對訓(xùn)練1下列說法正確的是(

)A.機械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是不可能的B.第二類永動機不可能制造成功是因為能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,或從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式C.根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體D.從單一熱源吸收的熱量全部用來做功是可能的D解析

機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,故A錯誤;第二類永動機不可能制造成功是因為它違背了熱力學(xué)第二定律,故B錯誤;熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,但如果不是自發(fā)地,是可以進行的,故C錯誤;從單一熱源吸收熱量全部用來做功而不引起其他變化,是不可能的,但如果是從單一熱源吸收熱量全部用來做功的同時也引起了其他的變化,是可能的,故D項對。探究二第二類永動機情境探究國內(nèi)某柴油機廠所產(chǎn)的單缸柴油機如圖所示,圖中上方部分為水箱。

熱機工作時,內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機械能嗎?水箱所起的作用是什么?要點提示

熱機工作時,內(nèi)能有一部分轉(zhuǎn)移到低溫?zé)嵩?不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能;水箱的作用是作為低溫?zé)嵩唇o熱機快速降溫。知識歸納1.熱機(1)熱機熱機是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的一種裝置。如蒸汽機把水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能,內(nèi)燃機是把燃燒后的高溫、高壓氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。(2)熱機的工作原理工作物質(zhì)從熱源吸收熱量Q1,推動活塞做功W,然后排出廢氣,同時把熱量Q2散發(fā)到冷凝器或大氣中。根據(jù)能量守恒定律有Q1=W+Q2。符合熱力學(xué)第二定律

(3)熱機的效率把熱機做的功W與它從熱源中吸收的熱量Q1的比值叫作熱機的效率,用η因為Q1=W+Q2,所以Q1>W,η<1。(4)注意事項①熱機必須有熱源和冷凝器。②熱機不能把它得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。③因熱機工作時,總要向冷凝器散熱,不可避免地要釋放一部分熱量Q2,所以總有Q1>W。④熱機的效率不可能達(dá)到100%,即使是理想熱機,沒有摩擦,也沒有漏氣等能量損失,它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機械能,總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器或大氣中。2.第二類永動機(1)第二類永動機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。(2)第二類永動機不可能制成這類機器雖然不違背能量守恒定律,但因為機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程是有方向性的,熱機工作時從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌,只有一部分用來做功W,轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,另一部分熱量要排放給低溫?zé)嵩?。也就是說,熱機在工作過程中必然排出部分熱量,熱機用于做機械功的熱量僅是它從高溫?zé)嵩次諢崃康囊徊糠?絕不會是全部,所以第二類永動機是不可能制成的。從上面的分析可知,即使沒有任何漏氣、摩擦、不必要機體熱量損失,也總有W<Q,所以熱機的效率總達(dá)不到100%。汽車發(fā)動機的效率一般在20%~30%,燃?xì)廨啓C的效率較高,可達(dá)60%左右。(3)熱力學(xué)第二定律還可表述為第二類永動機不可能制成。3.兩類永動機的比較

分類第一類永動機第二類永動機設(shè)計要求不消耗任何能量,可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后,可以永遠(yuǎn)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)不可能的原因違背了熱力學(xué)第一定律違背了熱力學(xué)第二定律應(yīng)用體驗典例2

(多選)關(guān)于第二類永動機,下列說法正確的是(

)A.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是第二類永動機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)化為機械能而不引起其他變化AD解析

根據(jù)所學(xué)的熱機知識可知選項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,所以選項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能全部轉(zhuǎn)化為機械能,選項C錯誤,選項D正確。針對訓(xùn)練2關(guān)于兩類永動機和兩個熱力學(xué)定律,下列說法正確的是(

)A.第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學(xué)第二定律B.第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學(xué)第一定律C.由熱力學(xué)第一定律可知,做功不一定改變內(nèi)能,傳熱也不一定改變內(nèi)能,但同時做功和傳熱一定會改變內(nèi)能D.由熱力學(xué)第二定律可知,熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的,從單一熱源吸收熱量,完全用來做功也是可能的D解析

第一類永動機違反熱力學(xué)第一定律,選項A錯誤;第二類永動機違反熱力學(xué)第二定律,選項B錯誤;由熱力學(xué)第一定律可知當(dāng)W≠0,Q≠0時,ΔU=W+Q可以等于0,選項C錯誤;由熱力學(xué)第二定律可知選項D中的現(xiàn)象是可能的,但一定會產(chǎn)生其他影響,選項D正確。學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)123451.(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律,下列判斷正確的是(

)A.電能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能B.在火力發(fā)電機中,燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔蹸.熱機中,燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C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物體BCD

解析

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,電能可全部變?yōu)閮?nèi)能(由焦耳定律可知),內(nèi)能不可能全部變成電能,而不產(chǎn)生其他影響。熱機中,機械能可全部變?yōu)閮?nèi)能,而內(nèi)能不可能全部變成機械能。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。123452.(多選)下列敘述正確的是(

)A.做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能的效果上是一樣的,但是從能量轉(zhuǎn)化的方面看二者是有本質(zhì)區(qū)別的B.因為第一類永動機和第二類永動機都違反了能量守恒定律,所以都不可能制成C.熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的一種具體表現(xiàn)形式D.熱力學(xué)第二定律闡述了一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性ACD12345解析

做功和熱傳遞在改變內(nèi)能的效果上是等效的,但做功是能量的轉(zhuǎn)化,熱傳遞是能量的轉(zhuǎn)移,A正確。第二類永動機不違反能量守恒定律,但違反了熱力學(xué)第二定律,內(nèi)能與機械能之間的轉(zhuǎn)化具有方向性才是第二類永動機不可能制成的原因,B錯誤。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的一種具體表現(xiàn)形式,C正確。熱力學(xué)第二定律說明一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性,D正確。123453.(2023河北石家莊高二期中)如圖所示,絕熱的氣缸被一個絕熱的活塞分成左、右兩部分,活塞質(zhì)量不計,活塞用銷釘鎖住,活塞與氣缸之間沒有摩擦,氣缸左邊裝有一定質(zhì)量的理想氣體,右邊為真空,現(xiàn)在拔去銷釘,抽去活塞,讓氣體向右邊的真空做絕熱自由膨脹,下列說法正確的是(

)A.氣體在向真空膨脹的過程中對外做功,氣體內(nèi)能減少B.氣體在向真空膨脹的過程中,分子平均動能變小C.氣體在向真空膨脹的過程中,分子平均動能變大D.若無外界的干預(yù),氣體分子不可能自發(fā)地退回到左邊,使右邊重新成為真空D12345解析

由于活塞質(zhì)量不計,右邊為真空,所以氣體膨脹時不做功,又因為是絕熱氣缸,所以氣體內(nèi)能不變,A錯誤;氣體在向真空膨脹的過程中,不做功,不交換熱量,內(nèi)能不變,故溫度不變,分子平均動能不變,B、C錯誤;根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程具有方向性,所以若無外界的干預(yù),氣體分子不可能自發(fā)地退回到左邊,使右邊重新成為真空,D正確。123454.(多選)(2023山東濱州高二模擬)電冰箱的工作原理圖如圖所示,壓縮機工作時,強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán),在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量,經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化,放出熱量到箱體外。下列說法正確的是(

)A.冰箱內(nèi)傳到冰箱