高中物理新粵教版選修33學(xué)案第3章第4節(jié)熱力學(xué)第二定律

第四節(jié)熱力學(xué)第二定律學(xué)習(xí)目標(biāo)重點(diǎn)難點(diǎn)1．通過自然界中熱傳導(dǎo)方向性的實(shí)例，了解熱力學(xué)第二定律，并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不能制造成功的原因．2．能用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題．3．嘗試運(yùn)用熱力學(xué)第二定律解決一些實(shí)際問題.1．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(shí)質(zhì)．(重點(diǎn))2．第二類永動(dòng)機(jī)及其不能制成的原因．(重點(diǎn))3．對(duì)熵概念的理解．(難點(diǎn))一、自然過程的方向性1．基本知識(shí)(1)熱傳導(dǎo)的方向性①兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，最后兩個(gè)物體溫度相同達(dá)到熱平衡．②熱傳導(dǎo)過程是有方向性的．即熱量從高溫物體向低溫物體的熱傳導(dǎo)過程是能自發(fā)進(jìn)行的．(2)機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性①機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是可以自發(fā)進(jìn)行的．②內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是不能自發(fā)進(jìn)行的．③第二類永動(dòng)機(jī)(ⅰ)定義：從單一熱源吸熱全部用來做功，而不引起其他變化的熱機(jī)．(ⅱ)不可能制成原因：違背了熱力學(xué)第二定律．2．思考判斷(1)在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體． (√)(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造成功是因?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)移到別的物體，或者從一種形式轉(zhuǎn)化成為另一種形式． (×)(3)熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體． (×)3．探究交流熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，我們所說的“自發(fā)地”指的是沒有任何外界影響或者幫助．電冰箱是讓“熱”由低溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境．這是不是自發(fā)進(jìn)行的？說明理由．【提示】電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，在該過程中電冰箱要消耗電能．電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱量會(huì)自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高．二、熱力學(xué)第二定律及微觀解釋1．基本知識(shí)(1)熱力學(xué)第二定律的表述①克勞修斯的表述熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳遞到高溫物體．或者說，不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化．②開爾文的表述不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化．(2)熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)①做功是與分子群體的有序運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的，內(nèi)能是和分子的無序運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，從微觀上來說，是大量分子的有序運(yùn)動(dòng)朝無序運(yùn)動(dòng)的方向轉(zhuǎn)換的過程，其相反方向的過程是大量分子從無序運(yùn)動(dòng)朝有序運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換的過程．②熱傳導(dǎo)過程是使物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)由比較有序的狀態(tài)向無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程．③與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程，總是朝著分子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無序性增加的方向進(jìn)行的．2．思考判斷(1)我們可以利用高科技手段，將流散到周圍環(huán)境中的內(nèi)能重新收集起來加以利用而不引起其他變化． (×)(2)利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機(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． (√)3．探究交流隨著科技的不斷發(fā)展，假如能夠使熱機(jī)沒有漏氣、沒有摩擦、也沒有機(jī)體熱量損失，是不是能夠使熱機(jī)效率達(dá)到100%.【提示】不能，原因是熱機(jī)的工作物質(zhì)吸收的熱量不能全部用來做功，如汽車尾氣會(huì)帶走一部分熱量．三、熵基本知識(shí)(1)意義：描述物體的無序程度，物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)無序程度越高，物體的熵就越大．(2)分子自由膨脹過程是一個(gè)向大量分子運(yùn)動(dòng)的無序性增加的方向進(jìn)行的過程，氣體的熵是增加的，這個(gè)過程可以自發(fā)進(jìn)行．對(duì)熱力學(xué)第二定律實(shí)質(zhì)的理解【問題導(dǎo)思】1．熱力學(xué)第二定律的各種表述的內(nèi)容是什么？2．熱力學(xué)第二定律的不同表述有什么共同的物理意義？1．克勞修斯表述指明熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助，其物理本質(zhì)是揭示了熱傳遞過程是不可逆的．2．開爾文表述中的“單一熱源”指溫度恒定且均勻的熱源．“不引起其他變化”是指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化．其物理實(shí)質(zhì)揭示了熱變功過程是不可逆的．3．兩種表述是等價(jià)的甲乙如果克勞修斯表述不成立，則開爾文表述也不成立．4．熱力學(xué)第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的．1．在可以引起其他影響的情況下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如空調(diào)、冰箱等．2．分析熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用問題時(shí)都不能忽視“自發(fā)性”和“不引起其他變化”的物理意義．隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問題日顯突出，近期油價(jià)不斷攀升，已對(duì)各國人民的日常生活造成了各種影響，如排長隊(duì)等待加油的情景已經(jīng)多次在世界各地發(fā)生，能源成為困擾世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大難題之一，下列有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的說法中正確的是()A．不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他的變化B．只要對(duì)內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn)，就可以把內(nèi)燃機(jī)得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C．滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)地進(jìn)行D．外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能必然增加【審題指導(dǎo)】(1)與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀現(xiàn)象具有方向性．(2)熱力學(xué)第二定律的兩種表述的理解．【解析】由熱力學(xué)第二定律的開爾文表述可知A對(duì)．熱機(jī)效率總低于100%，B錯(cuò)．滿足能量守恒的過程未必能自發(fā)進(jìn)行，任何過程一定滿足熱力學(xué)第二定律，C錯(cuò)．由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即內(nèi)能不一定增加，D錯(cuò)．【答案】A1．(雙選)下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律說法正確的是()A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發(fā)生B．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能C．氣體向真空的自由膨脹是可逆的D．熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過程會(huì)有一定的方向性【解析】熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過程會(huì)有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏觀過程并不能都真的發(fā)生，故A錯(cuò)誤，D正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，所以氣體向真空的自由膨脹是不可逆的．故C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，不可能從單一熱源吸熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響，所以機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能．故B正確．故選BD.【答案】BD熱力學(xué)第一、第二定律的比較及兩類永動(dòng)機(jī)的比較【問題導(dǎo)思】1．熱力學(xué)第一定律和第二定律有什么區(qū)別和聯(lián)系？2．對(duì)比兩類永動(dòng)機(jī)不能制成的原因各是什么？1．熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律比較熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律區(qū)別熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動(dòng)機(jī)熱力學(xué)第二定律是關(guān)于在有限空間和時(shí)間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程、化學(xué)過程具有不可逆性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從而否定了第二類永動(dòng)機(jī)聯(lián)系兩定律都是熱力學(xué)基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律，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)2.兩類永動(dòng)機(jī)的比較分類第一類永動(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轉(zhuǎn)化與守恒定律違背了熱力學(xué)第二定律關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)兩個(gè)規(guī)律，下列說法正確的是()A．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`背了熱力學(xué)第一定律B．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`背了熱力學(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，完全變成功也是可能的【解析】第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)違背熱力學(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)．【答案】D熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用技巧1．應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，一定要考慮改變物體內(nèi)能的兩種方式，只有做功和熱傳遞兩方面都確定，才能確定物體內(nèi)能的變化．2．熱力學(xué)第二定律的理解，關(guān)鍵是對(duì)熱現(xiàn)象宏觀過程的方向性的理解，要抓住“自發(fā)”和“不引起其他變化”等所表述的物理意義．2．(雙選)關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī)，下列說法中正確的是()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(jī)叫作第二類永動(dòng)機(jī)B．第二類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化【解析】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(jī)叫作第二類永動(dòng)機(jī)．故A正確；第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律．故B錯(cuò)誤；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化．故D正確，C錯(cuò)誤．故選A、D.【答案】AD熵——無序程度的量度【問題導(dǎo)思】1．什么是熵？它是由什么決定的？2．從熵的概念分析，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是什么？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(dòng)能大小一樣，系統(tǒng)越混亂無序程度越大，這個(gè)系統(tǒng)的熵就越大．2．從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展．下面關(guān)于熵的說法中錯(cuò)誤的是()A．熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度B．在自然過程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的C．熱力學(xué)第二定律也叫作熵減小原理D．熵值越大代表著越無序【解析】一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義．系統(tǒng)的熱力學(xué)過程就是大量分子向無序程度大的狀態(tài)變化的過程．自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值不會(huì)減小，因此，熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理，因此，A、B、D正確，C錯(cuò)誤．【答案】C3．將一滴紅墨水滴入一杯清水中，紅墨水會(huì)逐漸擴(kuò)散到整杯水中，呈均勻分布，試說明這個(gè)過程中熵的變化．【解析】一滴紅墨水和一杯清水這兩個(gè)系統(tǒng)是比較有序的，也可以說無序程度較小，即熵值較小．當(dāng)把這兩個(gè)系統(tǒng)混合后，隨著紅墨水?dāng)U散的進(jìn)行，系統(tǒng)內(nèi)這種宏觀狀態(tài)的無序程度大大增強(qiáng)，所以系統(tǒng)的熵值大大增加．【答案】熵是增加的對(duì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的證明熱力學(xué)第二定律常見的表述有兩種．第一種表述：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化；第二種表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化．圖甲是根據(jù)熱力學(xué)第二定律的第一種表述畫出的示意圖：外界對(duì)制冷機(jī)做功，使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體．請(qǐng)你根據(jù)第二種表述完成示意圖乙．根據(jù)你的理解，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是________．甲乙【解析】觀察甲圖說明制冷機(jī)是通過外力做功把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的．圖乙如圖所示．【答案】一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性1．明確熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的．其實(shí)質(zhì)是自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．2．特別注意“不引起其他變化”和“引起其他變化”．熱量從低溫物體可以傳到高溫物體，但要“引起其他變化”．1．(雙選)關(guān)于熱傳導(dǎo)的方向性，下列說法正確的是()A．熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體B．熱量能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體C．在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體D．熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體【解析】在有外力做功的情況下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體，而熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體．【答案】AC2．下列說法正確的是()A．熱力學(xué)第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性B．電流流過導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，反過來，可將內(nèi)能收集起來，再轉(zhuǎn)化成相同大小的電流C．可以做成一種熱機(jī)，由熱源吸取一定的熱量而對(duì)外做功D．冰可以融化成水，水也可以結(jié)成冰，這個(gè)現(xiàn)象違背了熱力學(xué)第二定律【解析】熱力學(xué)第二定律說明了一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是有方向性的，但并沒有否認(rèn)以特殊方式利用能量的可能性，故A錯(cuò)；功和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性，其逆過程是不可能自發(fā)實(shí)現(xiàn)的，故B錯(cuò)；冰融化成水，水結(jié)成冰，伴隨著能量的轉(zhuǎn)移，不是自發(fā)進(jìn)行的，沒有違背熱力學(xué)第二定律．【答案】C3．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)?)A．違背了能量守恒定律B．熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體C．機(jī)械能不能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化【解析】第二類永動(dòng)機(jī)的設(shè)想并不違背能量守恒定律，但卻違背了涉及熱現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)化過程是有方向性的規(guī)律，A錯(cuò)；在引起其他變化的情況下，熱量也可由低溫物體非自發(fā)地傳遞到高溫物體，B錯(cuò)；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如物體克服摩擦力做功的過程，C錯(cuò)；但在不引起其他變化的情況下，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，D對(duì)．【答案】D4．(雙選)關(guān)于氣體向真空中擴(kuò)散的規(guī)律的敘述中正確的是(