新教材高中物理第三章熱力學定律第三節(jié)熱力學第二定律課件粵教版選擇性

第三節(jié)熱力學第二定律核心素養(yǎng)點擊

物理觀念1.了解熱力學第二定律的內涵。2.知道自然界宏觀過程的方向性。3.了解能量與能源的區(qū)別以及能源的有限性?？茖W思維1.知道與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程的方向性。2.能用熱力學第二定律解釋常見的不可逆過程?？茖W態(tài)度與責任能依據(jù)道德規(guī)范評價物理技術的應用，具有保護環(huán)境、節(jié)約資源、促進可持續(xù)發(fā)展的責任感。一、熱現(xiàn)象的方向性1．填一填(1)熱傳導的方向性①熱量可以自發(fā)地從______物體傳遞給______物體，或者由物體的_____部分傳遞給______部分。②熱量不能自發(fā)地由_____物體傳遞給______物體，或者由物體的_____部分傳遞給______部分。③熱傳導過程是________過程，具有_________。高溫低溫高溫低溫低溫高溫低溫高溫不可逆方向性(2)機械能和內能轉化的方向性

①機械能和內能的轉化過程具有________。

②機械能可以_______轉化為內能，內能卻無法全部用來做功以轉化為機械能，而不______________。

③第二類永動機：從_________吸收熱量并全部用來做功的熱機。由于違反能量轉化的________，因此第二類永動機是不可能制造出來的。(3)擴散的方向性

兩種不同的氣體可以_______混合，相反，一種均勻的混合氣體卻不會_______分開成為兩種氣體。方向性全部產生其他影響單一熱源方向性自發(fā)地自發(fā)地2．判一判(1)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。

()(2)第二類永動機違反了能量守恒定律。

()(3)只要對內燃機不斷改進，就可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能。

(

)3．想一想

我們假想：發(fā)明一種熱機，并用來對物體做功，將內能全部轉化為動能，而不引起其他變化。這是否可能？

提示：熱機不能把它得到的內能全部轉化為機械能，因為熱機必須有熱源和冷凝器，熱機工作時，總要向冷凝器放熱，不可避免地要從工作物質帶走一部分熱量Q，即使是理想熱機，沒有摩擦，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化為機械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中?！獭痢炼?、熱力學第二定律1．填一填(1)克勞修斯表述：熱量不能________從低溫物體傳遞到高溫物體?；蛘哒f，不可能使熱量由___________傳遞到__________，而不引起其他變化。(說明熱傳導的方向性)(2)開爾文表述：不可能從__________吸收熱量并把它全部用來______，而不產生其他影響。(說明機械能與內能轉化的方向性)自發(fā)地低溫物體高溫物體單一熱源做功2．判一判(1)熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。

()(2)熱量不可能從低溫物體傳遞到高溫物體。

()(3)熱機工作時從高溫熱源吸收的熱量一定大于熱機對外界所做的功。

()3．想一想

兩個不同的物體接觸時，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”的含義是指沒有任何外界影響或者其他幫助。√√×探究(一)熱力學第二定律的理解及應用[問題驅動]如圖是熱量在傳遞過程中的情景。討論：(1)在自然過程中熱量是如何傳遞的？

提示：熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調和冰箱是如何傳遞熱量的？

提示：空調和冰箱可以通過電機做功，把熱量從溫度比較低的房間內或冰箱內傳遞到房間外或冰箱外。

[重難釋解]1．對熱力學第二定律的理解(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。在熱傳遞過程中不會對其他物體產生影響或借助其他物體提供能量等。(2)“不引起其他變化”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對周圍環(huán)境不產生熱力學方面的影響。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，則構成機器的工作物質可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功。據(jù)報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。(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，以及熱量從低溫熱源傳到高溫熱源以外，過程中所產生的其他一切影響，不論用任何的辦法都不可能加以消除。

典例1

(多選)下列現(xiàn)象不可能發(fā)生的是

(

)A．在一與外界絕熱的房間內，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，能使該房間降溫B．蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化為機械能C．一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉化為內能D．在熱傳導中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體[解析]

在一與外界絕熱的房間內，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，消耗了電能，產生了焦耳熱，所以房間溫度不僅不能降低還會升高，故A不可能發(fā)生；蒸汽機不可能把蒸汽的內能全部轉化為機械能，轉化過程中必然存在能量耗散，故B不可能發(fā)生；一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉化為內能，C可能發(fā)生；在熱傳導中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，D可能發(fā)生。[答案]

AB對熱力學第二定律理解的兩個誤區(qū)(1)誤認為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體，不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，也可以由低溫物體傳到高溫物體；但是，前者可以自發(fā)完成，而后者則必須有外界參與。(2)誤認為機械能可以完全轉化為內能，而內能不能完全轉化為機械能。機械能可以完全轉化為內能，內能也可以完全轉化為機械能；但是，前者可以不產生其他影響，而后者一定會產生其他影響。[素養(yǎng)訓練]1．(多選)下列哪些過程具有方向性

(

)A．熱傳導過程 B．動能向勢能的轉化過程C．氣體的擴散過程

D．氣體向真空中的膨脹過程解析：熱傳遞、氣體的擴散和氣體在真空中的膨脹都是與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程，由熱力學第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性，故選項A、C、D正確；動能向勢能的轉化與熱現(xiàn)象無關，是可逆的，不具有方向性，故選項B錯誤。答案：ACD2．(多選)下列關于宏觀物體的熱現(xiàn)象的說法中正確的是

(

)A．一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B．一切不違背能量守恒定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的C．由熱力學第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進行D．一切物理過程都不可能自發(fā)地進行解析：熱力學第二定律是反映宏觀自然過程的方向性的定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體；并不是所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能實現(xiàn)，故A、C正確，B、D錯誤。答案：AC3．

(多選)用兩種不同材料的金屬絲組成一個回路，接觸點1插在熱水中，

接觸點2插在冷水中，如圖所示，電流計指針會發(fā)生偏轉，這就是溫

差發(fā)電現(xiàn)象。關于這一現(xiàn)象的正確說法是

(

)A．這一實驗不違背熱力學第二定律B．在實驗過程中，熱水溫度降低，冷水溫度升高C．在實驗過程中，熱水的內能全部轉化成電能，電能則部分轉化成冷水的內能D．在實驗過程中，熱水的內能只有部分轉化成電能，電能則全部轉化成冷水的內能解析：自然界中的任何自然現(xiàn)象或過程都不違反熱力學第二定律，本實驗現(xiàn)象也不違反熱力學第二定律，A正確；整個過程中能量守恒且熱傳遞有方向性，B正確；在實驗過程中，熱水中的內能除轉化為電能外，還升高了金屬絲的溫度，內能不能全部轉化為電能；電能除轉化為冷水的內能外，還升高了金屬絲的溫度，電能不能全部轉化為冷水的內能，C、D錯誤。答案：AB探究(二)熱機和第二類永動機[問題驅動]如圖所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖，請在圖片基礎上思考以下問題：(1)制冷機工作時熱量是自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體嗎？提示：不是。熱量從低溫物體傳到高溫物體時需要有外界做功。(2)熱機工作時是否將從高溫熱源吸收的熱量全部用來做功？提示：否。熱機工作時只將從高溫熱源吸收熱量的一部分用來做功，剩余的釋放到低溫熱源。

[重難釋解]1．熱機的特點(1)熱機不僅僅只有一個熱源。(2)熱機的效率不可能達到100%。2．第二類永動機不能制成的原因：違反了熱力學第二定律(不違反能量守恒定律)。3．第二類永動機不能制成的意義(1)機械能可全部轉化成內能，但內能不能全部轉化成機械能。(2)機械能和內能的轉化過程具有方向性。(3)兩類永動機的比較。

第一類永動機：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，可以永遠運動下去)。

第二類永動機：將內能全部轉化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內能與機械能的轉化)。典例2在熱學中，下列說法正確的是

(

)A．第一類永動機不可制成是由于它違背了能量守恒定律B．第二類永動機不可制成是由于它違背了能量守恒定律C．熱力學第二定律告訴我們機械能可以轉化為內能而內能不能轉化為機械能D．熱量只能從高溫物體傳向低溫物體，而不能從低溫物體傳向高溫物體[解析]不消耗能量而不斷對外做功的第一類永動機是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律，故A正確；從單一熱源吸收熱量而對外做功的第二類永動機不違反能量守恒定律，但違反了熱力學第二定律，故B錯誤；熱力學第二定律告訴我們機械能可以轉化為內能，而內能在“一定的條件下”也能轉化為機械能，故C錯誤；熱量能從高溫物體傳向低溫物體，在“一定的條件下”也能從低溫物體傳向高溫物體，故D錯誤。[答案]

A[素養(yǎng)訓練]1．(多選)關于熱機的效率，下列說法正確的是

(

)A．有可能達到80%

B．有可能達到100%C．有可能超過80% D．一定能達到100%解析：根據(jù)熱力學第二定律，熱機效率永遠也達不到100%。答案：AC

2．下列有關熱學知識的論述正確的是

(

)A．兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量既能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，也可以自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B．無論用什么方式都不可能使能量從低溫物體向高溫物體傳遞C．第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，隨著科技的進步和發(fā)展，第二類永動機可以制造出來D．溫度是物體分子熱運動平均動能的標志解析：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，故A錯誤；在外界的影響下，能使能量從低溫物體向高溫物體傳遞，空調、冰箱就是這個原理，故B錯誤；第一類永動機違背能量守恒定律，不能制造出來，第二類永動機不違背能量守恒定律，但違反了熱力學第二定律，同樣不能制造成功，故C錯誤；溫度是物體分子熱運動激烈程度的反映，是物體分子熱運動平均動能的標志，溫度越高，分子熱運動平均動能越大，故D正確。答案：D

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材“物理聊吧”)一只完好的杯子從高處落到地上摔碎了(如圖所示)，這是一個可逆過程還是不可逆過程？在這個過程中熵是增加還是減少？為什么？提示：完好的杯子落到地上摔碎了，它不可能自發(fā)地恢復到原來的狀態(tài)，此過程是一個不可逆過程，這個過程中杯子的無序程度增加了，所以熵增加了。二、注重學以致用和思維建模1．17世紀70年代，英國人設計了一種磁力“永動機”，其結構如圖

所示，在斜面頂端放一塊強磁鐵M，斜面上、下端各有一個小孔

P、Q，斜面下有一個連接兩小孔的彎曲軌道。設計者認為：如果在斜坡底放一個鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會沿斜面向上運動，當球運動到P孔時，它會漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時球具有速度，所以可以對外做功，然后鐵球又被磁鐵吸引回到上端，到P處又漏下……對于這個設計，下列判斷正確的是

(

)A．滿足能量守恒定律，所以可行B．不滿足熱力學第二定律，所以不可行C．不滿足機械能守恒定律，所以不可行D．不滿足能量守恒定律，所以不可行解析：該裝置可以持續(xù)不斷的對外做功，違背了能量守恒定律，故不可行，D正確。答案：D2．

(2021·中山高二調研)(多選)如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓

縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內外的管道中不斷循環(huán)。在