人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第4節(jié)熱力學(xué)第二定律核心素養(yǎng)物理觀念科學(xué)思維科學(xué)態(tài)度與責(zé)任1.知道一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。2.知道熱力學(xué)第二定律的兩種表述內(nèi)容，并能運(yùn)用該定律解決一些實(shí)際問題。3.了解自然界中的能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，知道能量耗散的概念。1.體會(huì)用熱力學(xué)第二定律反映宏觀自然過程的方向性。2.體會(huì)能量守恒和能源有限。應(yīng)用熱力學(xué)定律解釋生產(chǎn)生活中的實(shí)例。知識(shí)點(diǎn)一熱力學(xué)第二定律〖觀圖助學(xué)〗如圖，一滴紅色顏料滴進(jìn)一杯清水中擴(kuò)散，整杯水將均勻地變紅。從系統(tǒng)的角度來看，擴(kuò)散之前是一種狀態(tài)，擴(kuò)散后是另一種狀態(tài)。提出問題(1)水中擴(kuò)散后的顏料能否自發(fā)地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？(2)物質(zhì)的自發(fā)擴(kuò)散有沒有方向性？1.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。如物體間的傳熱、氣體的膨脹、擴(kuò)散、有摩擦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)……都有特定的方向性。2.反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。〖思考判斷〗(1)熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體。(√)(2)傳熱是有方向性的。(√)(3)氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的。(√)知識(shí)點(diǎn)二熱力學(xué)第二定律的兩種表述1.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。闡述的是傳熱的方向性。2.熱機(jī)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。第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對外做功，把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能。3.熱力學(xué)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(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)〖思考判斷〗(1)熱量不能從低溫物體傳到高溫物體。(×)(2)不可逆過程指的是某過程只沿某個(gè)方向發(fā)生，而不可能在沒有外界影響(或不產(chǎn)生其他影響)的情況下沿相反方向發(fā)生。(√)(3)內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(×)(4)一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都不具有可逆性。(×)知識(shí)點(diǎn)三能源是有限的1.能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化具有方向性：在各種生產(chǎn)生活中，人們利用的各種形式的能最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能流散到周圍的環(huán)境中。2.能量耗散根據(jù)熱力學(xué)第二定律，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點(diǎn)，卻再也不能自動(dòng)聚集起來驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。3.能源：是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì)?！妓伎寂袛唷?1)能量耗散使能量的總量減少，違背了能量守恒定律。(×)(2)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。(√)(3)各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠自動(dòng)發(fā)生、全額發(fā)生的。(√)(4)能量耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低。(√)熱力學(xué)第二定律是用否定語句表述的(絕大多數(shù)物理定律都是用肯定語句表述的)，它告訴我們什么樣的過程不可能發(fā)生。(1)對“自發(fā)”的理解：當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，不需要任何第三者的介入、不會(huì)對任何第三者產(chǎn)生任何影響，熱量就能從一個(gè)物體傳向另一個(gè)物體。當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體接觸時(shí)，這個(gè)“自發(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體的。(2)對“不可能從單一熱庫吸收熱量”的理解：不僅要從一個(gè)熱庫吸收熱量，而且一定會(huì)向另一個(gè)熱庫放熱。關(guān)于熱機(jī)(1)熱機(jī)是一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。主要由熱源、工作物質(zhì)和冷凝器三部分組成。(2)工作原理：熱機(jī)從熱源吸收熱量Q1，推動(dòng)活塞做功W，然后向冷凝器釋放熱量Q2。(3)熱機(jī)效率：由能量守恒定律Q1＝W＋Q2，我們把熱機(jī)做的功W和它從熱源吸收的熱量Q1的比值叫作熱機(jī)效率，用η表示，即η＝eq\f(W,Q1)。關(guān)于能量耗散(1)能量耗散雖然不會(huì)使能的總量減少，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)為不大有用的形式。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。(2)能量的耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程是具有方向性的。(3)能量雖然不會(huì)減少，但能源會(huì)越來越少，所以要節(jié)約能源。核心要點(diǎn)對熱力學(xué)第二定律的理解〖閱讀探究〗地球上海水的總質(zhì)量達(dá)1.4×1021kg。如果把這些海水的溫度降低1℃，放出的熱量就達(dá)9×1018kW·h，足夠全世界使用4000年。這個(gè)設(shè)想不違背能量守恒定律，但是不能實(shí)現(xiàn)，分析其原因?！即鸢浮嚼迷撛O(shè)想制成機(jī)器不違反能量守恒定律，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)熱源，熱機(jī)要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)嵩?。〖探究歸納〗1.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(jī)器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功。據(jù)報(bào)道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。2.其他影響：指除了從單一熱庫吸收的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響；或者除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到相同的熱量外，其他一切影響和變化，不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功，而是這樣做的結(jié)果，一定伴隨著其他變化或影響。同樣，也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產(chǎn)生其他影響的自動(dòng)傳熱是不可能的。3.關(guān)于“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝?，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何曲折復(fù)雜的辦法都不可能加以消除。4.兩種表述是等價(jià)的如果克勞修斯表達(dá)不成立，則開爾文表述也不成立。5.適用條件：只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴(kuò)展到無限的宇宙。〖試題案例〗〖例1〗隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問題日顯突出，油價(jià)不斷攀升，已對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.不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不產(chǎn)生其他的變化B.只要對內(nèi)燃機(jī)不斷進(jìn)行改進(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)進(jìn)行D.外界對物體做功，物體的內(nèi)能必然增加〖解析〗由熱力學(xué)第二定律的開爾文表述可知，A正確；熱機(jī)效率總低于100%，B錯(cuò)誤；滿足能量守恒定律的物理過程未必能自發(fā)進(jìn)行，任何過程一定都滿足熱力學(xué)第二定律，C錯(cuò)誤；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)誤?！即鸢浮紸溫馨〖提*示〗自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程具有方向性，是不可逆的，分析問題時(shí)要注意哪些過程可以“自發(fā)”進(jìn)行，哪些過程不會(huì)達(dá)到100%的轉(zhuǎn)化?！坚槍τ?xùn)練1〗(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是()A.電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能B.在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔蹸.熱機(jī)中，燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能D.在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體〖解析〗根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮?nèi)能(由焦耳定律可知)，但內(nèi)能不可能全部變成電流的能，而不產(chǎn)生其他影響。機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，而不產(chǎn)生其他影響。在熱傳導(dǎo)中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體。〖答案〗BCD核心要點(diǎn)熱力學(xué)第一、第二定律的比較〖要點(diǎn)歸納〗1.熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律的比較熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律區(qū)別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)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，二者既相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)2.可逆過程與不可逆過程(1)可逆過程：在一個(gè)過程發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)從狀態(tài)Ⅰ經(jīng)過一系列的中間狀態(tài)，最后變化到狀態(tài)Ⅱ，如果使系統(tǒng)進(jìn)行逆向變化，由狀態(tài)Ⅱ經(jīng)歷與原過程完全一樣的中間狀態(tài)，變化到狀態(tài)Ⅰ，并且在逆向變化的過程中，原過程對外界所產(chǎn)生的一切影響逐步地被一一消除，在外界不留絲毫痕跡，則由狀態(tài)Ⅰ到狀態(tài)Ⅱ的過程，稱為可逆過程?？赡孢^程的條件：①單純的、無機(jī)械能耗散的機(jī)械過程是可逆的，例如，一個(gè)理想的單擺，在沒有空氣阻力和其他摩擦作用時(shí)，它的擺動(dòng)過程是可逆的；②無摩擦、無耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆的，例如，如果氣體膨脹或壓縮的過程進(jìn)行得無限緩慢，使氣體在膨脹或壓縮過程中的每一時(shí)刻都處于平衡態(tài)，而且沒有漏氣、摩擦和散熱等損耗，則當(dāng)此過程逆向進(jìn)行時(shí)，就能重復(fù)原過程的所有中間狀態(tài)并恢復(fù)原狀，在外界也不留下任何痕跡，即在不考慮摩擦、漏氣和散熱等損耗的理想情形下，準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆的。(準(zhǔn)靜態(tài)過程是一種理想過程，當(dāng)實(shí)際過程進(jìn)行得無限緩慢時(shí)，各時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)就無限地接近于平衡態(tài)，該過程便是準(zhǔn)靜態(tài)過程)(2)不可逆過程：如果系統(tǒng)不能逆向恢復(fù)到狀態(tài)Ⅰ，或當(dāng)系統(tǒng)在恢復(fù)到狀態(tài)Ⅰ的逆向過程中，引起了外界的變化，在外界留下了痕跡，使外界不能恢復(fù)原狀，則由狀態(tài)Ⅰ到狀態(tài)Ⅱ的過程，稱為不可逆過程。自然界一切自發(fā)過程都是不可逆過程。例如：①氣體會(huì)自動(dòng)地向真空膨脹，而不會(huì)自動(dòng)地向一邊收縮而使另一邊變成真空；②高處的水會(huì)自動(dòng)地向低處流動(dòng)，而不可能自發(fā)地從低處流向高處；③熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，而不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體?！荚囶}案例〗〖例2〗關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列論述正確的是()A.熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的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，故兩條定律并不矛盾C.兩條定律都是有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì)區(qū)別D.其實(shí)，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律〖解析〗熱力學(xué)第一定律是能量守恒在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn)，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能和其他形式能發(fā)生轉(zhuǎn)化的方向性，兩者并不矛盾，選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)誤，B正確?！即鸢浮紹方法總結(jié)熱力學(xué)第一定律和第二定律的關(guān)系(1)熱力學(xué)第一定律和第二定律兩者相互獨(dú)立，有著本質(zhì)的區(qū)別。(2)熱力學(xué)第一定律和第二定律兩者相互補(bǔ)充，熱力學(xué)第一定律是與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程中能量守恒的表達(dá)形式，而熱力學(xué)第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實(shí)現(xiàn)的條件和過程進(jìn)行的方向?！坚槍τ?xùn)練2〗(多選)下列說法中正確的是()A.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B.一切不違背能量守恒定律的物理過程都是可能實(shí)現(xiàn)的C.由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進(jìn)行D.一切物理過程都不可能自發(fā)地進(jìn)行〖解析〗能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程都是具有方向性的，A正確；一切自發(fā)進(jìn)行的與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程，都具有方向性，所以不違背能量守恒定律的物理過程不一定都是可以實(shí)現(xiàn)的，B錯(cuò)誤；在傳熱的過程中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但其逆過程不可能自發(fā)地進(jìn)行，C正確，D錯(cuò)誤?！即鸢浮紸C核心要點(diǎn)對能量耗散和品質(zhì)降低的理解〖閱讀探究〗下面這些過程中，能量的“歸宿”在哪里？流水帶動(dòng)水磨做功，什么能轉(zhuǎn)化成了什么能？流水的機(jī)械能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？傳說中，三國時(shí)代的猛將張飛站在當(dāng)陽橋前一聲吼，“喝斷了橋梁水倒流”，吼過之后靜下來，他的聲能最終轉(zhuǎn)化為什么能？日光燈把教室照得如同白晝，關(guān)燈后滿屋漆黑。原先的光能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？把電爐接入電路，電能表轉(zhuǎn)得飛快，表明消耗著電能。這些電能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？燃燒過程中燃料的化學(xué)能要釋放出來。這些化學(xué)能最終將轉(zhuǎn)化為什么能？〖答案〗流水帶動(dòng)水磨做功，水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水磨的機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。聲能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能。日光燈原先的光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。電爐接入電路，電能最后轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。燃料燃燒釋放出來的能量最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。〖探究歸納〗1.能量耗散自然界中集中度較高(即有序度較高)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，就成為更加分散的能量，沒有辦法把這些分散的內(nèi)能重新變成品質(zhì)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。雖然能量不會(huì)減少但能源越來越少，所以要節(jié)約能源?！荚囶}案例〗〖例3〗(多選)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)化的過程中無法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是()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仍守恒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〗能量耗散說明能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性，符合熱力學(xué)第二定律，B錯(cuò)誤，D正確；能量耗散過程中，能量并沒有消失，能量仍然守恒，A錯(cuò)誤，C正確。〖答案〗CD溫馨〖提*示〗能量耗散使可利用的能量減少，能量的品質(zhì)降低。能量守恒定律依然成立，能量沒有減少，但能源卻會(huì)越來越少，故應(yīng)節(jié)約能源?！坚槍τ?xùn)練3〗(多選)下列關(guān)于能源的說法中正確的是()A.能源是取之不盡，用之不竭的B.能源是有限的，特別是常規(guī)能源，如煤、石油、天然氣等C.大量消耗常規(guī)能源會(huì)使環(huán)境惡化，故提倡開發(fā)利用新能源D.核能的利用對環(huán)境的影響比燃燒石油、煤炭大〖解析〗盡管能量守恒，但耗散能量無法重新收集利用，所以能源是有限的，特別是常規(guī)能源，A錯(cuò)誤，B正確；常規(guī)能源的利用比新能源核能的利用對環(huán)境影響大，C正確，D錯(cuò)誤。〖答案〗BC1.(熱力學(xué)第二定律的理解)(多選)下列說法正確的是()A.熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體B.熱量不能從低溫物體傳到高溫物體C.傳熱是有方向性的D.氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的〖解析〗如果是自發(fā)地進(jìn)行，熱量只能從高溫物體傳到低溫物體，但這并不是說熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，只是不能自發(fā)地進(jìn)行，在外界條件的幫助下，熱量也能從低溫物體傳到高溫物體，A、C正確，B錯(cuò)誤；氣體向真空中膨脹的過程也是不可逆，具有方向性的，D正確?！即鸢浮紸CD2.(熱力學(xué)第二定律的理解)關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列說法正確的是()A.熱力學(xué)第二定律是通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的實(shí)驗(yàn)定律B.熱力學(xué)第二定律是通過大量自然現(xiàn)象的不可逆性總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)定律C.熱力學(xué)第二定律是物理學(xué)家從理論推導(dǎo)得出來的結(jié)果D.熱力學(xué)第二定律沒有理論和實(shí)驗(yàn)的依據(jù)，因此沒有實(shí)際意義〖解析〗熱力學(xué)第二