新教材適用2024-2025學(xué)年高中物理第3章熱力學(xué)定律4.熱力學(xué)第二定律學(xué)案新人教版選擇性必修第三冊(cè)

4.熱力學(xué)其次定律課程標(biāo)準(zhǔn)1．了解熱傳遞、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。知道具有方向性的過(guò)程為不行逆的。2．了解熱力學(xué)其次定律的兩種表述，并能用熱力學(xué)其次定律說(shuō)明其次類永動(dòng)機(jī)不能制造勝利。3．能用熱力學(xué)其次定律說(shuō)明自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問(wèn)題，并能解決一些實(shí)際問(wèn)題。4．了解能量耗散、能源和環(huán)境。素養(yǎng)目標(biāo)1．通過(guò)自然界中客觀過(guò)程的方向性，了解熱力學(xué)其次定律。2．了解熱力學(xué)其次定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實(shí)質(zhì)。3．能運(yùn)用熱力學(xué)其次定律說(shuō)明自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移以及宏觀自然過(guò)程的方向性問(wèn)題。4．相識(shí)能量耗散，知道能源是有限的。學(xué)問(wèn)點(diǎn)1熱力學(xué)其次定律1．熱力學(xué)其次定律的克勞修斯表述(1)內(nèi)容：熱量不能自發(fā)地從_低溫__物體傳到_高溫__物體。即傳熱的過(guò)程具有_方向性__。(2)傳熱的方向性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。③一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是_不行逆的__。說(shuō)明：在表述中強(qiáng)調(diào)“自發(fā)”，就是不須要任何第三者介入，就能發(fā)生。2．熱力學(xué)其次定律的另一種表述(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__。其次個(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＝eq\f(W,Q)。(2)開(kāi)爾文表達(dá)不行能從單一熱庫(kù)汲取熱量，使之_完全變勝利__，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)留意：熱力學(xué)其次定律的克勞修斯和開(kāi)爾文表述是等價(jià)的?！号幸慌小?1)機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(√)(2)內(nèi)能不行能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(×)(3)能夠制成的熱機(jī)既不違反能量守恒定律，也不違反熱力學(xué)其次定律。(√)(4)一個(gè)系統(tǒng)中個(gè)體排列的“有序”和“無(wú)序”是肯定的。(×)(5)科技發(fā)達(dá)后，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%。(×)(6)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。(√)『選一選』下列說(shuō)法正確的是(D)A．物體放出熱量，溫度肯定降低B．物體內(nèi)能增加，溫度肯定上升C．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體D．熱量能自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體解析：變更內(nèi)能的兩個(gè)途徑是做功和傳熱，只知道做功狀況或只知道傳熱狀況不能推斷物體內(nèi)能的變更，A錯(cuò)誤；物體內(nèi)能是由分子動(dòng)能和分子勢(shì)能兩部分組成的，總量變更不能斷定其中一個(gè)怎樣變更，溫度只是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的宏觀標(biāo)記，由于分子勢(shì)能的存在，不能通過(guò)內(nèi)能的變更推斷溫度的變更，故B錯(cuò)誤；熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，故D正確?！合胍幌搿怀烧Z(yǔ)“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不行能再倒回盆中的。請(qǐng)從不同宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目不同這個(gè)角度，說(shuō)明為什么水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。答案：由于盆的形態(tài)確定，水在盆中所處的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目少，較為有序。當(dāng)把水潑出后，它的形態(tài)不受盆的限制，各種可能的形態(tài)都有，此時(shí)所處的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目將變得特別多，較為無(wú)序。因?yàn)樽园l(fā)的過(guò)程總是從有序向無(wú)序發(fā)展，所以水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。學(xué)問(wèn)點(diǎn)2能源是有限的1．能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為_(kāi)內(nèi)能__，流散到環(huán)境中無(wú)法重新收集起來(lái)加以利用的現(xiàn)象。2．各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是無(wú)序程度_較小__的狀態(tài)向無(wú)序程度_較大__的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能夠_自動(dòng)__發(fā)生、全額發(fā)生的。3．能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)變更過(guò)程具有_方向__性。4．能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量總量的削減，卻會(huì)導(dǎo)致能量_品質(zhì)__的降低，它事實(shí)上是將能量從高度有用的_高品質(zhì)__形式降級(jí)為不大可用的_低品質(zhì)__形式。說(shuō)明：雖然能量總量不會(huì)削減，但能源會(huì)逐步削減，因此能源是有限的資源?！哼x一選』下列現(xiàn)象屬于能量耗散的是(D)A．利用水能發(fā)電將水能轉(zhuǎn)化為電能B．電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能C．電流通過(guò)電阻絲轉(zhuǎn)化為光能D．火爐把房子烤暖解析：能量耗散是指其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，最終流散在四周環(huán)境中無(wú)法重新收集并加以利用的過(guò)程。本題中的電能、光能都可以重新收集并加以利用?；馉t把房子烤暖使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能并流散在四周的環(huán)境中，難以重新收集并加以利用，是能量耗散。故本題選D。探究對(duì)熱力學(xué)其次定律的理解要點(diǎn)提煉1．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，而低溫物體不行能自發(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，必需借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其他影響或引起其他變更。(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，最終成為勻稱的混合氣體，但這種勻稱的混合氣體，絕不會(huì)自發(fā)地分開(kāi)，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)，因摩擦而漸漸停止下來(lái)，但絕不行能出現(xiàn)物體汲取原來(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)地向真空容器內(nèi)膨脹，但絕不行能出現(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)其次定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”“單一熱庫(kù)”“不行能”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(guò)程中不會(huì)對(duì)其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體供應(yīng)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(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)四周環(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)”：指溫度勻稱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)家已在探討利用海水溫度差來(lái)發(fā)電。(4)“不行能”：事實(shí)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)汲取熱量對(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，用任何方法都不行能加以消退。(1)熱力學(xué)其次定律的兩種表述是等效的。(2)熱力學(xué)其次定律的實(shí)質(zhì)：熱力學(xué)其次定律的每一種表述，都揭示了大量分子參加宏觀過(guò)程的方向性，使人們相識(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。典例剖析典例1(多選)依據(jù)熱力學(xué)其次定律分析，下列說(shuō)法正確的是(BC)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．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變更解析：依據(jù)熱傳遞的規(guī)律可知，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，卻不能自發(fā)地(不須要外界幫助)從低溫物體傳到高溫物體，但是假如借助外界的幫助，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，故A錯(cuò)誤，B正確；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(如一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體克服摩擦力做功且最終停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能)，內(nèi)能無(wú)法全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變更，故C正確，D錯(cuò)誤。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(多選)電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，下列說(shuō)法正確的是(BD)A．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B．在肯定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C．熱量的傳遞過(guò)程不具有方向性D．在自發(fā)的條件下熱量的傳遞過(guò)程具有方向性解析：一切自發(fā)過(guò)程都有方向性，如熱傳導(dǎo)，熱量總是由高溫物體自發(fā)地傳向低溫物體；又如擴(kuò)散，氣體總是自發(fā)地由密度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散。在外界幫助下氣體可以由密度小的地方向密度大的地方擴(kuò)散，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，電冰箱就是借助外界做功把熱量從低溫物體——冷凍食品，傳向高溫物體——四周的大氣。所以在回答熱力學(xué)過(guò)程的方向性問(wèn)題時(shí)，要區(qū)分是自發(fā)過(guò)程還是非自發(fā)過(guò)程，電冰箱內(nèi)熱量傳遞的過(guò)程是有外界參加的。探究能源是有限的要點(diǎn)提煉1．能源的分類能源分類方法按形成或轉(zhuǎn)換特點(diǎn)能源分類一次能源二次能源特點(diǎn)自然形成，未經(jīng)加工由一次能源經(jīng)過(guò)加工轉(zhuǎn)換而成舉例太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑四?、潮汐能焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電?．能源開(kāi)發(fā)和利用加強(qiáng)新能源，特殊是清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用，限制化石能源開(kāi)采，提高能源的利用率，降低對(duì)環(huán)境的污染。典例剖析典例2(2024·貴州遵義航天高級(jí)中學(xué)高二期中)關(guān)于能量和能源，下列說(shuō)法中正確的是(D)A．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，其總量有可能增加B．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，其總量會(huì)不斷削減C．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中總量保持不變，故節(jié)約能源沒(méi)有必要D．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，且現(xiàn)有可利用的能源有限，故必需節(jié)約能源解析：能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，總量是守恒的，A、B錯(cuò)誤；能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中總量保持不變，但能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，且現(xiàn)有可利用的能源有限，我們要留意節(jié)約能源，C錯(cuò)誤，D正確。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?關(guān)于能量耗散，下列說(shuō)法不正確的是(C)A．能量耗散導(dǎo)致能量的品質(zhì)降低B．能量耗散是指分散在環(huán)境中的內(nèi)能很難被人類再回收利用C．能量耗散使能量總量削減，違反了能量守恒定律D．各種形式的能量在肯定條件下向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠全額發(fā)生的解析：能量耗散是能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中以內(nèi)能的形式發(fā)散到四周環(huán)境中，使得能量品質(zhì)降低，且耗散在環(huán)境中的內(nèi)能很難被人類再利用，但能量耗散遵守能量守恒定律，另外，各種形式的能量在肯定條件下向內(nèi)能轉(zhuǎn)化是能夠全額發(fā)生的，故A、B、D正確，C錯(cuò)誤。熱力學(xué)第肯定律與熱力學(xué)其次定律的區(qū)分與聯(lián)系區(qū)分熱力學(xué)第肯定律揭示了做功和傳熱對(duì)變更物體內(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)第肯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)其次定律揭示了大量分子參加的宏觀過(guò)程的方向性。如機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不行能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變更，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)第肯定律是和熱現(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)能變更的定量關(guān)系，而熱力學(xué)其次定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實(shí)現(xiàn)的條件和過(guò)程進(jìn)行的方向，指出了一切變更過(guò)程的自然發(fā)展方向不行逆，除非靠外界影響，所以二者相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)案例(多選)關(guān)于熱力學(xué)兩大定律，下列說(shuō)法正確的是(ABD)A．熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律是相互獨(dú)立的B．熱力學(xué)其次定律的兩種表述是等效的C．由熱力學(xué)第肯定律可知做功不肯定變更內(nèi)能，傳熱也不肯定變更內(nèi)能，但同時(shí)做功和傳熱肯定會(huì)變更內(nèi)能D．由熱力學(xué)其次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)汲取熱量，完全變勝利也是可能的解析：熱力學(xué)其次定律有幾種不同的表述形式，但它們是等效的，它與熱力學(xué)第肯定律是各自獨(dú)立的，A、B正確；由熱力學(xué)第肯定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯(cuò)誤；由熱力學(xué)其次定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但不引起其他變更是不行能的，D正確。規(guī)律總結(jié)：(1)熱力學(xué)第肯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。告誡人們：第一類永動(dòng)機(jī)不行能制成。(2)熱力學(xué)其次定律揭示了大量分子參加的宏觀過(guò)程的方向性。如機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不行以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變更，進(jìn)一步揭示了各種有關(guān)熱的物理過(guò)程都具有方向性。告誡人們：其次類永動(dòng)機(jī)也不行能制成。一、熱力學(xué)其次定律1．(多選)關(guān)于自然過(guò)程的方向性，下列說(shuō)法正確的是(CD)A．摩擦生熱的過(guò)程是可逆的B．凡是符合能量守恒的過(guò)程一般都是可逆的C．實(shí)際的宏觀自發(fā)過(guò)程都具有“單向性”或“不行逆性”D．氣體的自由膨脹是不行逆過(guò)程解析：機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性，所以摩擦生熱的過(guò)程是不行逆的，故A錯(cuò)誤；實(shí)際的宏觀自發(fā)過(guò)程都符合能量守恒定律，具有“單向性”或“不行逆性”，故B錯(cuò)誤，C正確。氣體自由膨脹的過(guò)程具有方向性，是不行逆過(guò)程，故D正確。2．依據(jù)熱力學(xué)定律，下列推斷正確的是(B)A．我們可以把火爐散失到四周環(huán)境中的能量全部收集到火爐中再次用來(lái)取暖B．利用淺層海水和深層海水間的溫度差制造出一種熱機(jī)，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這在原理上是可行的C．制冷系統(tǒng)能將冰箱內(nèi)的熱量傳給外界較高溫度的空氣，而不引起其他變更D．滿意能量守恒定律的客觀過(guò)程都可以自發(fā)地進(jìn)行解析：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，所以不能把散失的能量全部收集起來(lái)重新加以利用，A錯(cuò)誤；由熱力學(xué)其次定律可知，B正確；熱量從低溫物體傳給高溫物體時(shí)肯定會(huì)發(fā)生其他變更，C錯(cuò)誤；只滿意能量守恒定律而不滿意熱力學(xué)其次定律的過(guò)程是不行能發(fā)生的，D錯(cuò)誤。3．下列關(guān)于熵的說(shuō)法錯(cuò)誤的是(B)A．熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的量度B．在孤立系統(tǒng)中，一個(gè)自發(fā)的過(guò)程總是向熵削減的方向進(jìn)行C．熱力學(xué)其次定律的微觀實(shí)質(zhì)是孤立系統(tǒng)總是向熵增大的狀態(tài)發(fā)展D．熵值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無(wú)序解析：熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的量度，熵越大，系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度越大，故A、D正確；孤立系統(tǒng)中發(fā)生的任何實(shí)際過(guò)程，其能量的總值保持不變，而其熵值恒增，故B錯(cuò)誤，C正確。4．關(guān)于熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律，下列論述正確的是(B)A．熱力學(xué)第肯定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)其次定律則指出內(nèi)能不行能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互沖突的B．內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會(huì)產(chǎn)生其他影響，故兩條定律并不沖突C．兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，它們不但不沖突，而且沒(méi)有本質(zhì)區(qū)分D．能量守恒定律包含了熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律解析：熱力學(xué)第肯定律揭示了內(nèi)能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，