高中 物理 必修第三冊 第三章 熱力學定律《第4節(jié) 熱力學第二定律》教學設(shè)計

第4節(jié)熱力學第二定律[學習目標]1．知道傳熱、擴散現(xiàn)象、機械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等都具有方向性。具有方向性的過程是不可逆的。2．理解熱力學第二定律的兩種表述。3．學會用熱力學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。知識點1熱力學第二定律1．熱傳導的方向性(1)熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳到低溫物體。(2)熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體。(3)熱傳導過程是有方向性的。2．熱力學第二定律的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。即熱傳導的過程具有方向性。3．熱力學第二定律的開爾文表述不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。(該表述闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)[判一判]1．(1)熱量不能由低溫物體傳給高溫物體。()(2)科技發(fā)達后，熱機的效率可以達到100%。()(3)機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機械能。()提示：(1)×(2)×(3)√知識點2能源是有限的1．能量耗散能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性。在各種各樣的活動中，其他形式的能最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能流散到周圍環(huán)境中，再也不能自動聚集起來驅(qū)動機械做功了，這種轉(zhuǎn)化過程叫作能量耗散。2．品質(zhì)降低能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式叫品質(zhì)降低。能量在利用過程中，總是由高品質(zhì)的能量最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)下降了。[判一判]2．(1)能量耗散不遵循能量守恒定律。()(2)能量耗散會導致能量品質(zhì)的降低。()(3)為了可持續(xù)發(fā)展，必須節(jié)約能源。()提示：(1)×(2)√(3)√1．(對熱力學第二定律的理解)關(guān)于熱力學定律，下列說法中正確的是()A．在一定條件下物體的溫度可以降到絕對零度B．第二類永動機和第一類永動機一樣，都違背了能量守恒定律C．熱機的效率可以達到100%D．在熱傳遞中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體解析：選D。絕對零度是一切低溫物體的極限，永遠無法達到，A錯誤；第一類永動機違反能量守恒定律，第二類永動機不違反能量守恒定律，但違反熱力學第二定律，B錯誤；不可能從單一熱源吸收熱量使之全部用來做功而不產(chǎn)生其他影響，熱機效率無法達到100%，C錯誤；熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，但是不可能自發(fā)地從低溫傳到高溫物體，D正確。2．(能量耗散和品質(zhì)降低)熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把散失的能量重新收集、加以利用。下列關(guān)于能量耗散的說法正確的是()A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學第二定律C．能量耗散過程中能量不守恒D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度，反映出自然界中的宏觀過程具有方向性解析：選D。能量耗散是指能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中擴散到周圍環(huán)境中無法再收集起來，其滿足能量守恒定律，也符合熱力學第二定律，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了；能量耗散反映了涉及熱運動的宏觀過程都具有方向性，所以A、B、C錯誤，D正確。3．(熱力學定律和能量耗散)根據(jù)熱力學定律，下列判斷正確的是()A．我們可以把火爐散失到周圍環(huán)境中的能量全部收集到火爐中再次用來取暖B．利用淺層海水和深層海水間的溫度差制造出一種熱機，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，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，而不引起其他變化D．滿足能量守恒定律的客觀過程都可以自發(fā)地進行答案：B探究一對熱力學第二定律的理解1．自然過程的方向性(1)熱傳導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，成為兩種不同的氣體。(3)機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性物體在地面上運動，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?．在熱力學第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”“單一熱庫”“不可能”的含義(1)“自發(fā)地”：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”：發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。(3)“單一熱庫”：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。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)時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫以外，過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，無論用任何辦法都不可能加以消除。特別提醒：(1)熱力學第二定律的兩種表述是等價的。(2)熱力學第二定律的實質(zhì)：熱力學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。3．兩類永動機的比較第一類永動機第二類永動機設(shè)計要求不消耗任何能量，可以不斷地做功(或只給予很少的能量啟動后，可以永遠運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱庫，實現(xiàn)內(nèi)能向機械能的轉(zhuǎn)化)不可能制成的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學第二定律【例1】(多選)下列說法正確的是()A．不可能讓熱量由低溫物體傳遞給高溫物體而不引起其他任何變化B．從單一熱源吸取熱量使之全部變成有用的機械功是不可能的C．熵值越大，表明系統(tǒng)內(nèi)分子運動越無序D．熱量是熱傳遞過程中，內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體轉(zhuǎn)移內(nèi)能多少的量度[解析]根據(jù)熱力學第二定律可知，不可能讓熱量由低溫物體傳遞給高溫物體而不引起其他任何變化，故A正確；根據(jù)熱力學第二定律可知，在沒有外界影響下，從單一熱源吸取熱量使之全部變成有用的機械功是不可能的，但如果存在外在影響是可以實現(xiàn)的，故B錯誤；根據(jù)熵增加原理可知，熵值越大，表明系統(tǒng)內(nèi)分子運動越無序，故C正確；熱量是熱傳遞過程中，溫度高的物體向溫度低的物體轉(zhuǎn)移內(nèi)能多少的量度，故D錯誤。[答案]AC【例2】如圖所示，絕熱的汽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，活塞與汽缸之間沒有摩擦，汽缸左邊裝有一定質(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，氣體內(nèi)能增加D．若無外界的干預，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[解析]氣體在向右邊的真空膨脹的過程中沒有力的作用，所以氣體不做功，即W＝0，絕熱過程，Q＝0，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU＝0，所以氣體內(nèi)能不變，溫度不變，分子的平均動能不變，故A、B、C錯誤；無外界的干預，根據(jù)熱力學第二定律可知，涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程具有方向性，因此，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，故D正確。[答案]D[針對訓練1]根據(jù)熱力學定律，下列說法正確的是()A．第二類永動機違反能量守恒定律，因此不可能制成B．效率為100%的熱機是不可能制成的C．電冰箱的工作過程表明，熱量可以自發(fā)地從低溫物體向高溫物體傳遞D．從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣κ翘岣邫C械效率的常用手段解析：選B。第二類永動機違反了熱力學第二定律，因此不可能制成，故A錯誤；效率為100%的熱機是不可能制成的，故B正確；電冰箱通過消耗電能才能把熱量從低溫的箱體內(nèi)轉(zhuǎn)移到溫度較高的箱體外，故C錯誤；從單一熱源吸收熱量，不可能使之完全變?yōu)橛杏霉Γ蔇錯誤。[針對訓練2](多選)如圖所示，導熱的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定質(zhì)量的理想氣體封閉在汽缸中，汽缸的內(nèi)壁光滑?，F(xiàn)用水平外力F作用于活塞桿，使活塞緩慢地向右移動，在此過程中，環(huán)境溫度保持不變。下列說法正確的是()A．氣體吸收熱量B．氣體分子平均動能不變C．氣體內(nèi)能不變，卻對外做功，此過程違反熱力學第一定律，不可能實現(xiàn)D．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，但此過程不違反熱力學第二定律答案：ABD探究二能量耗散和品質(zhì)降低1．能量耗散自然界中集中度較高(有序度較高)的能量，如機械能、電能、化學能，當它們變?yōu)榄h(huán)境的內(nèi)能后，就成為更加分散也是無序度更大的能量，沒有辦法把這些分散的無序度更大的內(nèi)能重新變成有序度較高的能量加以利用，這樣的現(xiàn)象叫作能量耗散。各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的，能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性。2．能量品質(zhì)的降低能量耗散雖然不會使能量減少，卻會導致能量品質(zhì)的降低，它實際上將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式。煤、石油、天然氣等能源儲存著高品質(zhì)的能量，在利用它們的時候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的內(nèi)能。內(nèi)能較之機械能、電能、光能、核能等是一種低品質(zhì)能量?！纠?】(多選)關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點正確的是()A．無節(jié)制地利用能源，是一種盲目的短期行為B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的C．開發(fā)和利用能源的同時，必須加強對環(huán)境的保護D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機的主要途徑[解析]能源是有限的，必須合理利用能源，A正確；盡管能量守恒，但使用過程中會有能量耗散及品質(zhì)降低，B錯誤；能源的開發(fā)利用推動人類進步，但同時會破壞人類生存的環(huán)境，所以必須加強對環(huán)境的保護，C正確；開發(fā)新能源、清潔能源可以緩解常規(guī)能源的不足，D正確。[答案]ACD【例4】能源問題是當今世界最為重要的問題之一，熱力學的研究對能源利用率的提高起到了關(guān)鍵作用，為熱機的設(shè)計與制造提供了足夠的理論支持。關(guān)于熱機和熱力學定律，以下表述正確的是()A．將電冰箱的門打開可以使房間里的溫度降低B.因為能量守恒，所以隨著科技的發(fā)展能量可以循環(huán)利用，從而解決能源危機問題C．第二類永動機并沒有違背能量守恒定律，但熱機的效率不可能達到100%D．熱力學第二定律可表述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”[解析]打開冰箱門不僅不能使房間的溫度下降，還會使房間溫度上升，因為電冰箱的制冷機工作后，冰箱冷凍室內(nèi)的蒸發(fā)器溫度降低，吸收空氣的熱量，與此同時，冰箱內(nèi)部的冷凝器溫度升高，將熱量傳給空氣，室內(nèi)空氣的熱量只是被冰箱吸收后又被放出，所以室溫不會降低，相反，電動機工作時，會將一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故室內(nèi)溫度會有少許升高，故A錯誤；雖然能量守恒，但由于使用后能量的品質(zhì)降低，可利用的能源會越來越少，所以能源危機仍然存在，我們在日常的生產(chǎn)生活中要養(yǎng)成節(jié)約能源的習慣，故B錯誤；第二類永動機并沒有違背能量守恒定律，但熱機的效率不可能達到100%，故C正確；熱力學第二定律可表述為“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”，故D錯誤。[答案]C[針對訓練3](多選)下列關(guān)于能量耗散的說法，正確的是()A．能量耗散使能的總量減少，違背了能量守恒定律B．能量耗散是指散失在環(huán)境中的內(nèi)能再也不能收集起來被人類利用C．各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠全額發(fā)生的D．能量耗散導致能量品質(zhì)降低解析：選BCD。能量耗散是能量在轉(zhuǎn)化的過程中有一部分以內(nèi)能的形式被周圍環(huán)境吸收，能量耗散遵守能量守恒定律，但使得能量品質(zhì)降低，故A錯誤，D正確；耗散的內(nèi)能無法再被收集起來利用，B正確；其他形式的能在一定的條件下可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C正確。[針對訓練4](2023·廣東深圳統(tǒng)考期末)關(guān)于能源與能量，下列說法正確的是()A．因為能量守恒，所以不需要節(jié)約能源B．人類應多開發(fā)與利用風能、太陽能等新型能源C．自然界中石油、煤炭等能源可供人類長久使用D．人類不斷地開發(fā)和利用新的能源，所以能量可以被創(chuàng)造答案：B1．(多選)電冰箱的工作原理示意圖如圖所示；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．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C．電冰箱的工作原理不違背熱力學第一定律D．電冰箱的工作原理違背熱力學第一定律解析：選BC。熱力學第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學過程，故C正確，D錯誤；再根據(jù)熱力學第二定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，必須借助于其他系統(tǒng)做功，A錯誤，B正確。2．熱力學第二定律表明()A．不可能從單一熱源吸收熱量使之全部變?yōu)楣．在一個可逆過程中，工作物質(zhì)凈吸熱等于對外做的功C．熱不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣．熱量不可能從溫度低的物體傳到溫度高的物體答案：B3．(多選)下列說法正確的是()A．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的B．熱量不能從低溫物體傳到高溫物體C．氣體放出熱量，其分子的平均動能可能增大D．為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或?qū)λ鼈鬟f熱量解析：選ACD。根據(jù)熱力學第二定律可知，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，A正確；熱量也能從低溫物體傳到高溫物體，但會引起其他的變化，B錯誤；若外界對氣體做功大于氣體放出的熱量，則氣體內(nèi)能增加，其分子的平均動能增大，C正確；為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或?qū)λ鼈鬟f熱量，D正確。4．下列說法正確的是()A．根據(jù)熱力學第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體B．效率為100%的熱機不可能制成，是因為違反了能量守恒定律C．不可能從單一熱源吸收熱量使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響D．第二類永動機不可能成功的原因是違反了能量守恒定律答案：C5.(多選)我國航天員漫步太空已成為現(xiàn)實。飛船在航天員出艙前先要“減壓”，在航天員從太空返回進入航天器后要“升壓”，因此將此設(shè)施專門做成了飛船的一個艙，叫“氣閘艙”，其原理如圖所示。兩個相通的艙A、B間裝有閥門K。指令艙A中充滿氣體，氣閘艙B內(nèi)為真空，整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換。打開閥門K后，A中的氣體進入B中，最終達到平衡。若將此氣體近似看成理想氣體，則()A．氣體體積膨脹，對外做功B．氣體分子勢能減小，內(nèi)能增加C．氣體體積變大，溫度不變D．B中氣體不可能自發(fā)地全部退回到A中