物理人教版選修3-3學(xué)案第十章第4節(jié)熱力學(xué)第二定律

第4節(jié)熱力學(xué)第二定律1.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。2．開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。3．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，即η＝eq\f(W,Q)，W<Q，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%。4．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。一、自然過(guò)程的方向性1．熱傳導(dǎo)具有方向性：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)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(shí)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(kuò)散現(xiàn)象具有方向性：兩種不同的氣體可以自發(fā)地進(jìn)入對(duì)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(huì)自發(fā)地分開(kāi)而成為兩種不同的氣體。3．機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性：物體在水平面上運(yùn)動(dòng)，因摩擦而逐漸停止下來(lái)，但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來(lái)傳遞出去的熱量后，在地面上重新運(yùn)動(dòng)起來(lái)。4．氣體向真空膨脹具有方向性：氣體可自發(fā)地向真空容器膨脹，但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出，容器變?yōu)檎婵铡?．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的。6．熱力學(xué)第二定律：反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律。二、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)地從低溫物體傳到高溫物體，這就是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述，闡述的是熱傳遞的方向性。2．開(kāi)爾文表述不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。(即機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化具有方向性)3．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的，也可以表述為：氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。4．第二類永動(dòng)機(jī)(1)定義：只從單一熱庫(kù)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)不違反能量守恒定律，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(kù)，熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓Γ筒豢杀苊獾貙⒁徊糠譄崃總鹘o低溫?zé)釒?kù)。1．自主思考——判一判(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)第二類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律。(√)(3)熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%。(×)(4)一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的微觀自然過(guò)程都是不可逆的。(×)(5)第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律。(×)(6)只要對(duì)內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn)，就可以把內(nèi)燃機(jī)得到的全部?jī)?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(×)2．合作探究——議一議(1)溫度不同的兩個(gè)物體接觸時(shí)，熱量會(huì)從低溫物體傳給高溫物體嗎？提示：會(huì)。溫度不同的兩個(gè)物體接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，要使熱量從低溫物體傳給高溫物體，必須借助其他幫助，如電冰箱的工作。(2)兩個(gè)不同的物體接觸時(shí)，熱量自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發(fā)地”的含義是什么？提示：“自發(fā)地”的含義是指沒(méi)有任何外界影響或者其他幫助。(3)我們假想：發(fā)明一種熱機(jī)，并用來(lái)對(duì)物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而不引起其他變化，這是否可能？提示：熱機(jī)不能把它得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因?yàn)闊釞C(jī)必須有熱源和冷凝器，熱機(jī)工作時(shí)，總要向冷凝器放熱，不可避免地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量Q，即使是理想熱機(jī)，沒(méi)有摩擦，沒(méi)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(jī)械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解1．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”、“單一熱庫(kù)”、“不可能”的涵義(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(guò)程中不會(huì)對(duì)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”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)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)“單一熱庫(kù)”：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(jī)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(duì)外做功。據(jù)報(bào)道，有些國(guó)家已在研究利用海水上下溫度不同來(lái)發(fā)電。(4)“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱庫(kù)吸收熱量對(duì)外做功，以及熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)以外，過(guò)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。2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)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(guò)程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性。3．熱力學(xué)過(guò)程方向性實(shí)例(1)高溫物體eq\o(,\s\up7(熱量Q能自發(fā)傳給),\s\do5(熱量Q不能自發(fā)傳給))低溫物體(2)功eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為),\s\do5(不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為))熱(3)氣體體積V1eq\o(,\s\up7(能自發(fā)膨脹到),\s\do5(不能自發(fā)收縮到))氣體體積V2(較大)(4)不同氣體A和Beq\o(,\s\up7(能自發(fā)混合成),\s\do5(不能自發(fā)分離成))混合氣體AB4．熱力學(xué)第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過(guò)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。1．下列說(shuō)法正確的是()A．機(jī)械能全部變成內(nèi)能是不可能的B．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造成功的原因是因?yàn)槟芰考炔粫?huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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變?yōu)楣κ强赡艿慕馕觯哼xD機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造成功是因?yàn)樗`背了熱力學(xué)第二定律，故B項(xiàng)錯(cuò)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(jìn)行的，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；從單一熱源吸收熱量全部用來(lái)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變?yōu)楣Φ耐瑫r(shí)也引起了其他的變化，是可能的，故D項(xiàng)正確。2．[多選]關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是()A．為了增加物體的內(nèi)能，必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量B．對(duì)某物體做功，必定會(huì)使該物體的內(nèi)能增加C．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體E．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過(guò)程是不可逆過(guò)程解析：選ACE改變內(nèi)能的方法有做功和熱傳遞兩種，所以為了增加物體的內(nèi)能，必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量，A項(xiàng)正確；對(duì)物體做功的同時(shí)物體向外界放熱，則物體的內(nèi)能可能不變或減小，B項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，在對(duì)外界有影響的前提下，可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Γ珻項(xiàng)正確；在有外界做功的條件下，可以使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，D項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，E項(xiàng)正確。熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律比較1．熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別熱力學(xué)第一定律揭示了做功和傳熱對(duì)改變物體內(nèi)能的規(guī)律關(guān)系ΔU＝W＋Q，指明內(nèi)能不但可以轉(zhuǎn)移，而且還能跟其他形式的能相互轉(zhuǎn)化。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的一種表述形式，是從能的角度揭示不同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的可能性熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過(guò)程的方向性。如機(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)械能而不引起其他變化，進(jìn)一步揭示了各種能量轉(zhuǎn)化過(guò)程及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化過(guò)程都具有方向性聯(lián)系熱力學(xué)第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程中能量守恒的特殊表達(dá)形式，說(shuō)明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系，而熱力學(xué)第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實(shí)現(xiàn)的條件和過(guò)程進(jìn)行的方向，指出了一切變化過(guò)程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響，所以二者相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充2．兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去)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)不可能的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學(xué)第二定律1．[多選](2016·全國(guó)卷Ⅰ)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是()A．氣體吸熱后溫度一定升高B．對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能C．理想氣體等壓膨脹過(guò)程一定放熱D．熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E．如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡解析：選BDE根據(jù)熱力學(xué)定律，氣體吸熱后如果對(duì)外做功，則溫度不一定升高，說(shuō)法A錯(cuò)誤。改變物體內(nèi)能的方式有做功和傳熱，對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能，說(shuō)法B正確。理想氣體等壓膨脹對(duì)外做功，根據(jù)eq\f(pV,T)＝恒量知，膨脹過(guò)程一定吸熱，說(shuō)法C錯(cuò)誤。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，說(shuō)法D正確。兩個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度相等，如果這兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡，說(shuō)法E正確。2．關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)兩大定律，下列說(shuō)法正確的是()A．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B．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律C．由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，熱傳遞也不一定改變內(nèi)能，但同時(shí)做功和熱傳遞一定會(huì)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，從單一熱庫(kù)吸收熱量，完全變成功也是可能的解析：選D第一類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第一定律，第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律，A、B錯(cuò)；由熱力學(xué)第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯(cuò)；由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但不引起其他變化是不可能的，D對(duì)。3．[多選]根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說(shuō)法中正確的是()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，也可能從低溫物體傳到高溫物體C．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，但熱能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，熱能也可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能解析：選BD由熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述知，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)，也可以使系統(tǒng)從低溫物體吸取熱量傳到高溫物體，冰箱就是這樣的裝置，故A錯(cuò)誤，B正確。機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如在水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體，克服摩擦阻力做功，最終靜止，這個(gè)過(guò)程中機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如在等溫膨脹過(guò)程中，系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外界做的功，故C錯(cuò)誤，D正確。1．[多選]關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列說(shuō)法正確的是()A．熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體B．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體C．從單一熱庫(kù)吸收熱量，可以使之完全變成功D．氣體向真空自由膨脹的過(guò)程是不可逆過(guò)程E．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過(guò)程是可逆過(guò)程解析：選ACD根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，故A正確。在外界的影響下，能使熱量從低溫物體傳向高溫物體，如空調(diào)，故B錯(cuò)誤。根據(jù)熱力學(xué)第二定律：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉?，而不產(chǎn)生其他影響，可知在外界的作用下，從單一熱庫(kù)吸收熱量，可以使之完全變成功，故C正確。所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都有方向性，則知?dú)怏w向真空自由膨脹的過(guò)程是不可逆過(guò)程，故D正確。功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過(guò)程是不可逆過(guò)程，故E錯(cuò)誤。2．[多選]根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的有()A．熱機(jī)中燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成機(jī)械能B．電流的能不可能全部變成內(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解析：選ACD凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性。無(wú)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。由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知，電流的能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故B錯(cuò)誤。火力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化的過(guò)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(guò)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(lái)其他影響，這正是熱力學(xué)第二定律第一種表述的主要思想，故D正確。3.如圖所示，汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體，汽缸壁是導(dǎo)熱的，汽缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸面是光滑的，但不漏氣?，F(xiàn)將活塞與桿連接，使其緩慢地向右移動(dòng)，這樣氣體將等溫膨脹并對(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(shuō)法正確的是()A．氣體是從單一熱庫(kù)吸熱，全部用來(lái)對(duì)外做功，因此此過(guò)程違反了熱力學(xué)第二定律B．氣體是從單一熱庫(kù)吸熱，但并未全部用來(lái)對(duì)外做功，所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律C．氣體是從單一熱庫(kù)吸熱，全部用來(lái)對(duì)外做功，但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律D．以上三種說(shuō)法都不對(duì)解析：選C此過(guò)程雖然是氣體從單一熱庫(kù)吸熱，全部用來(lái)對(duì)外做功，但引起了其他變化，所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律。4．我們絕不會(huì)看到：一個(gè)放在水平地面上的物體，靠降低溫度，可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，其原因是()A．違反了能量守恒定律B．在任何條件下內(nèi)能不可能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，只有機(jī)械能才能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能C．機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性，內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能是有條件的D．以上說(shuō)法均不正確解析：選C機(jī)械能和內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化，必須通過(guò)做功來(lái)實(shí)現(xiàn)，故C對(duì)。5．下列過(guò)程中，可能發(fā)生的是()A．某工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次?0kJ的熱量，全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而沒(méi)有產(chǎn)生其他任何影響B(tài)．打開(kāi)一高壓密閉容器，其內(nèi)氣體自發(fā)溢出后又自發(fā)跑進(jìn)去，恢復(fù)原狀C．利用其他手段，使低溫物體溫度更低，高溫物體的溫度更高D．將兩瓶不同液體自發(fā)混合，然后又自發(fā)地各自分開(kāi)解析：選C根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不可能從低溫物體自發(fā)地傳給高溫物體，而不引起其他的變化，但通過(guò)一些物理過(guò)程是可以實(shí)現(xiàn)的，故C項(xiàng)對(duì)；內(nèi)能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是不可能的，故A項(xiàng)錯(cuò)；氣體膨脹具有方向性，故B項(xiàng)錯(cuò)；擴(kuò)散現(xiàn)象也有方向性，D項(xiàng)也錯(cuò)。6.[多選]如圖所示，為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)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(guò)冷凝器時(shí)制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說(shuō)法正確的是()A．熱量可以自發(fā)