新教材同步系列2024春高中物理第三章熱力學(xué)定律第三節(jié)熱力學(xué)第二定律課件粵教版選擇性必修第三冊(cè)

第三章熱力學(xué)定律第三節(jié)熱力學(xué)第二定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1．知道熱傳導(dǎo)、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．具有方向性的過程是不可逆的(重點(diǎn))2．理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成(重難點(diǎn))3．學(xué)會(huì)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(重點(diǎn))4．學(xué)會(huì)運(yùn)用熱力學(xué)第二定律解決一些實(shí)際問題(難點(diǎn))學(xué)法與考法學(xué)法：①通過自然過程發(fā)展方向性實(shí)例得出自然過程具有方向性結(jié)論，繼而分析熱量傳遞的方向性．②通過小組合作討論認(rèn)識(shí)到“第二類永動(dòng)機(jī)”不可能實(shí)現(xiàn)考法：①對(duì)自然過程具有方向性理解的考查．②對(duì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述實(shí)質(zhì)及其關(guān)系的理解和考查．③考查熱力學(xué)第二定律在實(shí)際中的應(yīng)用知識(shí)導(dǎo)圖課前·

自主預(yù)習(xí)1．熱量可以自發(fā)地由____________物體傳給__________物體．2．熱量不能自發(fā)地由____________物體傳給__________物體．3．熱傳導(dǎo)過程是有__________的．4．兩種不同的氣體_______自發(fā)地混合，最后成為一種均勻的混合氣體．相反，一種均勻的混合氣體卻______自發(fā)地分開成為兩種氣體．熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散的方向性高溫低溫低溫高溫方向性可以不會(huì)熱量能從高溫物體自發(fā)傳遞到低溫物體，但能從低溫物體傳遞到高溫物體嗎？【答案】熱量能從高溫物體傳遞到低溫物體，也能從低溫物體傳遞到高溫物體．微思考(多選)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．熱量一定不可能從低溫物體傳給高溫物體【答案】AC【解析】在有外力做功的情況下，熱量可以從低溫物體傳遞給高溫物體；而在自發(fā)的條件下，熱量只能從高溫物體傳給低溫物體，故A、C正確．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________變成工作物質(zhì)的________．第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外______，把自己的內(nèi)能變成________．(2)熱機(jī)的效率：熱機(jī)輸出的____________與燃料產(chǎn)生的________的比值．用公式表示η＝________．機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性化學(xué)能內(nèi)能做功機(jī)械能機(jī)械功W熱量Q2．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?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)不違背______________，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)要不斷地把吸收的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)釒?kù)．能量守恒定律科技發(fā)達(dá)后，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%嗎？【答案】凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性，無論采用任何設(shè)備和手段進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%.微思考1．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述熱量不能自發(fā)地從______物體傳到______物體．即熱傳導(dǎo)的過程具有________．2．開爾文表述不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之_____________，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)熱力學(xué)第二定律低溫高溫方向性完全變成功3．熱力學(xué)第二定律的理解(1)一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有________.(2)氣體向真空的自由膨脹是________的．(3)第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的．(4)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而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能．方向性不可逆(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說法正確的是 (

)A．不可能從單一熱源吸熱并把它全部用來做功，而不引起其他變化B．沒有冷凝器，只有單一的熱源，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)是可以實(shí)現(xiàn)的C．制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣而不引起其他變化D．在火力發(fā)電中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成電能【答案】AD【解析】熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，A正確；機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須有外界的幫助，B錯(cuò)誤；冰箱向外傳遞熱量時(shí)消耗了電能，C錯(cuò)誤；火力發(fā)電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機(jī)械能→電能，因?yàn)閮?nèi)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化過程中會(huì)對(duì)外放出熱量，故燃?xì)獾膬?nèi)能必然不會(huì)全部變?yōu)殡娔?，D正確.課堂·

重難探究1．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解在熱力學(xué)第二定律的表述中，正確地理解“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的確切含義是理解熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵所在．(1)“自發(fā)地”過程就是不受外來干擾進(jìn)行的自然過程，如重物下落、植物的開花結(jié)果等都是自然界客觀存在的一些過程，它不受外界干擾．在熱傳遞過程中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“外界的影響或外界的幫助”，就是要有外界對(duì)其做功才能完成．電冰箱就是一例，它是靠電流做功把熱量從低溫處“搬”到高溫處的．(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(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．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程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．3．熱力學(xué)第二定律的微觀解釋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．4．熱力學(xué)第二定律的兩種表述的等價(jià)性兩種表述是等價(jià)的，即一個(gè)說法是正確的，另一個(gè)說法也必然是正確的；如一個(gè)說法是錯(cuò)誤的，另一個(gè)說法必然是不成立的．5．熱平衡兩個(gè)有溫差的物體互相接觸，通過接觸面上兩側(cè)分子的互相碰撞，使得溫度高的物體分子平均動(dòng)能逐漸減少，溫度低的物體分子平均動(dòng)能逐漸增大，直至兩者溫度相同達(dá)到熱平衡．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解例1對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解，下列說法正確的是 (

)A．熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體B．外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能必定增加C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`反了能量守恒定律D．不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化【答案】D【解析】根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體，但在一定條件下，熱量可以由低溫物體傳遞到高溫物體，例如電冰箱的工作過程，A錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，物體內(nèi)能的變化取決于吸收或放出的熱量和做功的正負(fù)兩個(gè)因素，B錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，而違反了熱力學(xué)第二定律，C錯(cuò)誤；選項(xiàng)D是熱力學(xué)第二定律的表述形式之一，是正確的．變式1下列敘述和熱力學(xué)定律相關(guān)，其中正確的是 (

)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．能量耗散過程中能量不守恒C．夏天打開電冰箱的門，可以起到室內(nèi)降溫作用D．一切自發(fā)過程總是沿著分子無序性增大的方向進(jìn)行【答案】D【解析】第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`背了熱力學(xué)第二定律，A錯(cuò)誤；能量耗散過程中能量也是守恒的，B錯(cuò)誤；電冰箱制冷機(jī)工作后，冰箱冷凍室內(nèi)的蒸發(fā)器溫度降低，吸收空氣中的熱量，而與此同時(shí)，冰箱外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(huì)下降，不可以起到室內(nèi)降溫作用，C錯(cuò)誤；根據(jù)熵增加原理，一切自發(fā)過程總是沿著分子無序性增大的方向進(jìn)行，D正確．理解熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，即自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．理解的關(guān)鍵在于“自發(fā)”和“不引起其他變化”．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”：其含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(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．對(duì)第二類永動(dòng)機(jī)的理解(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的表層與深處的溫度差來發(fā)電的技術(shù)．(4)“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)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)過程所產(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)第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進(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．3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較永動(dòng)機(jī)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)第二定律對(duì)第二類永動(dòng)機(jī)的理解例2

(2023年廣州檢測(cè))黨的二十大報(bào)告提出，加強(qiáng)文物保護(hù)利用，推進(jìn)文化自信自強(qiáng)，鑄就社會(huì)主義文化新輝煌．如圖所示是中國(guó)傳統(tǒng)玩具飲水鳥．在鳥的面前放上一杯水，用手把鳥嘴浸到水里，“喝”了一口后，又直立起來．之后，無須人的干預(yù)，小鳥直立一會(huì)兒就會(huì)自己俯下身去使鳥嘴浸入水中“喝”水，然后又會(huì)直立起來．就這樣周而復(fù)始，小鳥不停地點(diǎn)頭“喝”水，則下列說法正確的是

(

)A．飲水鳥上下運(yùn)動(dòng)的能量來源于周圍空氣的內(nèi)能B．水杯中的水干了之后，小鳥還能點(diǎn)頭“喝”水C．這種飲水鳥玩具是一架永動(dòng)機(jī)D．此現(xiàn)象違背了熱力學(xué)第二定律【答案】A【解析】玩具飲水鳥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示．其原理是先在鳥嘴上滴一些水，水分蒸發(fā)后吸熱使得頭部氣壓小于肚子中的氣壓，從而使肚子中的部分液體壓入頭部，使重心上移，鳥的身體變得不穩(wěn)定而發(fā)生傾斜，傾斜的過程中肚子中的玻璃管口脫離液面，從而使頭部的液體又回流到肚子中，使鳥的身體再回到開始的豎直狀態(tài)，而剛才傾斜的過程中鳥嘴剛好又沾到了水，之后鳥回到豎直狀態(tài)后，鳥嘴的水分蒸發(fā)，重復(fù)前面的運(yùn)動(dòng)，即飲水鳥上下運(yùn)動(dòng)的能量來源于周圍空氣的內(nèi)能，A正確；根據(jù)上述可知，當(dāng)水杯中的水干了之后，由于不能形成頭部和肚子的壓強(qiáng)差，小鳥不能再上下運(yùn)動(dòng)，即小鳥不能點(diǎn)頭“喝”水，B錯(cuò)誤；這種玩具飲水鳥仍然遵循能量守恒定律，不是一架永動(dòng)機(jī)，C錯(cuò)誤；根據(jù)上述可知，此現(xiàn)象沒有違背熱力學(xué)第二定律，D錯(cuò)誤．變式2

(多選)如圖中汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體，汽缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣，現(xiàn)將活塞桿緩慢向右移動(dòng)，這樣氣體將等溫膨脹并通過桿對(duì)外做功．若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說法正確的是 (

)A．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對(duì)外做功，此過程違背熱力學(xué)第二定律B．氣體是從單一熱源吸熱，但并未全部用來對(duì)外做功，此過程不違背熱力學(xué)第二定律C．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對(duì)外做功，此過程不違背熱力學(xué)第二定律D．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對(duì)外做功，此過程不違背熱力學(xué)第一定律【答案】CD【解析】由于氣體始終通過汽缸與外界接觸，外界溫度不變，活塞桿與外界連接并使其緩慢地向右移動(dòng)過程中，有足夠時(shí)間進(jìn)行熱交換，氣體等溫膨脹，所以汽缸內(nèi)的氣體溫度不變，內(nèi)能也不變，該過程氣體是從單一熱源即外部環(huán)境吸收熱量，即全部用來對(duì)外做功才能保證內(nèi)能不變，此過程既不違背熱力學(xué)第二定律，也不違背熱力學(xué)第一定律，此過程由外力對(duì)活塞做功來維持，如果沒有外力F對(duì)活塞做功，此過程不可能發(fā)生，C、D正確．1．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．告誡人們：第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成．2．熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性．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)一步揭示了各種有關(guān)熱的物理過程都具有方向性．告誡人們：第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成．小練·

隨堂鞏固1．(2023年武漢聯(lián)考)1827年，布朗作為英國(guó)植物學(xué)家，在花粉顆粒的水溶液中觀察到花粉永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng).1905年，愛因斯坦根據(jù)擴(kuò)散方程建立布朗運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)理論，從而使分子動(dòng)理論的物理圖景為人們廣泛接受．關(guān)于分子動(dòng)理論相關(guān)知識(shí)，下列說法中正確的是

(

)A．分子的擴(kuò)散現(xiàn)象是可逆的B．布朗運(yùn)動(dòng)證明組成固體小顆粒的分子在做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)C．花粉顆粒越小，無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越明顯D．分子永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)說明永動(dòng)機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)的【答案】C【解析】分子的擴(kuò)散現(xiàn)象是不可逆的，A錯(cuò)誤；布朗運(yùn)動(dòng)是固體小顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，反映了液體分子在做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，B錯(cuò)誤；溫度越高，花粉顆粒越小，無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越明顯，C正確；永動(dòng)機(jī)是不可以實(shí)現(xiàn)的，D錯(cuò)誤．2．(2023年宜春檢測(cè))根據(jù)熱力學(xué)定律和能量守恒定律，下列說法中正確的是 (

)A．空調(diào)在制冷過程中，從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量B．通過采用先進(jìn)技術(shù)，熱機(jī)可以實(shí)現(xiàn)把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C．在密閉的房間里，把正常工作的冰箱門打開，可以使房間降溫D．熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體【答案】A【解析】空調(diào)在制冷過程中，把室內(nèi)的熱量向室外釋放，消耗電能，產(chǎn)生熱量，則從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量，A正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，即使通過采用先進(jìn)技術(shù)，熱機(jī)也不能夠?qū)崿F(xiàn)把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，B錯(cuò)誤；冰箱的工作原理是將里面的熱量吸收到外面使內(nèi)部的溫度降低，并且自身工作也會(huì)消耗電能產(chǎn)生熱量，所以當(dāng)冰箱在密閉的房間里并打開，此時(shí)冰箱內(nèi)外部相通，所以無法降溫，C錯(cuò)誤．根據(jù)熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D錯(cuò)誤．3．(2023年長(zhǎng)春期中)對(duì)熱力學(xué)第二定律理解，正確的是 (

)A．熱力學(xué)第二定律是從另一個(gè)側(cè)面闡述能量守恒定律B．若消除熱機(jī)的漏氣、摩擦和熱量損耗，熱機(jī)效率可以達(dá)到100%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．熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無