人教版高中物理選擇性必修第三冊(cè)第三章熱力學(xué)定律第4節(jié)熱力學(xué)第二定律課件

物理第三章熱力學(xué)定律第4節(jié)熱力學(xué)第二定律[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．知道傳熱、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。2．理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述。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。

知識(shí)點(diǎn)1熱力學(xué)第二定律1．熱傳導(dǎo)的方向性(1)熱量可以自發(fā)地由______物體傳到______物體。(2)熱量不能自發(fā)地由______物體傳到______物體。(3)熱傳導(dǎo)過程是有_________的。高溫低溫低溫高溫方向性2．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_________。3．熱力學(xué)第二定律的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)低溫高溫方向性完全變成功[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(dá)后，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%。(

)(3)機(jī)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(jī)械能。(

)××√知識(shí)點(diǎn)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(dòng)中，其他形式的能最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能流散到_______________，再也不能自動(dòng)聚集起來驅(qū)動(dòng)機(jī)械做功了，這種轉(zhuǎn)化過程叫作能量耗散。周圍環(huán)境中2．品質(zhì)降低能量從高度有用的形式降級(jí)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____________，但能量的______下降了。保持守恒品質(zhì)[判一判]2．(1)能量耗散不遵循能量守恒定律。(

)(2)能量耗散會(huì)導(dǎo)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。(

)×√√1．(對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解)關(guān)于熱力學(xué)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(duì)零度B．第二類永動(dòng)機(jī)和第一類永動(dòng)機(jī)一樣，都違背了能量守恒定律C．熱機(jī)的效率可以達(dá)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：絕對(duì)零度是一切低溫物體的極限，永遠(yuǎn)無法達(dá)到，A錯(cuò)誤；第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但違反熱力學(xué)第二定律，B錯(cuò)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(jī)效率無法達(dá)到100%，C錯(cuò)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(xué)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：能量耗散是指能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中擴(kuò)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(xué)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(yùn)動(dòng)的宏觀過程都具有方向性，所以A、B、C錯(cuò)誤，D正確。3．(熱力學(xué)定律和能量耗散)根據(jù)熱力學(xué)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(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，而不引起其他變化D．滿足能量守恒定律的客觀過程都可以自發(fā)地進(jìn)行√探究一對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解1．自然過程的方向性(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，而低溫物體不可能自發(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(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，最后成為均勻的混合氣體，但這種均勻的混合氣體，決不會(huì)自發(fā)地分開，成為兩種不同的氣體。(3)機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性物體在地面上運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(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”：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”：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。(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上下溫度不同來發(fā)電。(4)“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)時(shí)，除了從單一熱庫(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)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(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的。(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，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。3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不消耗任何能量，可以不斷地做功(或只給予很少的能量啟動(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)熱庫(kù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能向機(jī)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(xué)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(jī)械功是不可能的C．熵值越大，表明系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)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(xué)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(xué)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(jī)械功是不可能的，但如果存在外在影響是可以實(shí)現(xiàn)的，故B錯(cuò)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(yùn)動(dòng)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(cuò)誤?！纠?】如圖所示，絕熱的汽缸被一個(gè)絕熱的活塞分成左、右兩部分，活塞質(zhì)量不計(jì)，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(duì)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(dòng)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(yù)，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(xué)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(dòng)能不變，故A、B、C錯(cuò)誤；無外界的干預(yù)，根據(jù)熱力學(xué)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。[針對(duì)訓(xùn)練1]根據(jù)熱力學(xué)定律，下列說法正確的是(

)A．第二類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，因此不可能制成B．效率為100%的熱機(jī)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(jī)械效率的常用手段√解析：第二類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律，因此不可能制成，故A錯(cuò)誤；效率為100%的熱機(jī)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(cuò)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(cuò)誤。[針對(duì)訓(xùn)練2]

(多選)如圖所示，導(dǎo)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(dòng)，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(dòng)能不變C．氣體內(nèi)能不變，卻對(duì)外做功，此過程違反熱力學(xué)第一定律，不可能實(shí)現(xiàn)D．氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對(duì)外做功，但此過程不違反熱力學(xué)第二定律√√√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(jī)械能、電能、化學(xué)能，當(dāng)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(dòng)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(huì)使能量減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它實(shí)際上將能量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式。煤、石油、天然氣等能源儲(chǔ)存著高品質(zhì)的能量，在利用它們的時(shí)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(jī)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(diǎn)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(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機(jī)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(huì)有能量耗散及品質(zhì)降低，B錯(cuò)誤；能源的開發(fā)利用推動(dòng)人類進(jìn)步，但同時(shí)會(huì)破壞人類生存的環(huán)境，所以必須加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，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?！纠?】能源問題是當(dāng)今世界最為重要的問題之一，熱力學(xué)的研究對(duì)能源利用率的提高起到了關(guān)鍵作用，為熱機(jī)的設(shè)計(jì)與制造提供了足夠的理論支持。關(guān)于熱機(jī)和熱力學(xué)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?yàn)槟芰渴睾?，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(jī)問題C．第二類永動(dòng)機(jī)并沒有違背能量守恒定律，但熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%D．熱力學(xué)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(huì)使房間溫度上升，因?yàn)殡姳涞闹评錂C(jī)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(shí)，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(huì)降低，相反，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，會(huì)將一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故室內(nèi)溫度會(huì)有少許升高，故A錯(cuò)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(huì)越來越少，所以能源危機(jī)仍然存在，我們?cè)谌粘５纳a(chǎn)生活中要養(yǎng)成節(jié)約能源的習(xí)慣，故B錯(cuò)誤；第二類永動(dòng)機(jī)并沒有違背能量守恒定律，但熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%，故C正確；熱力學(xué)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(cuò)誤。[針對(duì)訓(xùn)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