高二物理選修3熱力學(xué)第二定律

1、高二物理選修3-3熱力學(xué)第二定律【知識(shí)要點(diǎn)】.熱力學(xué)第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。(2)開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。.第二類永動(dòng)機(jī)(1)設(shè)想：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，表示盡管機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而不引起其他變化；機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性。.熱力學(xué)第二定律的微觀意義和嫡增加原理(1)熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。(2)嫡：嫡和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一

2、個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，嫡是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序(混亂)程度的定量量度。(3)嫡增加原理：在絕熱過(guò)程或孤立系統(tǒng)中，嫡是增加的，叫做嫡增加原理。對(duì)于其它情況， 系統(tǒng)的嫡可能增加，也可能減小。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)總是從嫡小的狀態(tài)向嫡大的狀態(tài)發(fā)展，而嫡值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更大的方向發(fā)展。.能量耗散：系統(tǒng)的內(nèi)能流散到周圍環(huán)境中，沒(méi)有辦法把這些內(nèi)能收集起來(lái)加以利用，這種 現(xiàn)象叫做能量耗散?！镜湫屠}】例1.下列說(shuō)法中可以實(shí)現(xiàn)的是()A.氣體在某狀態(tài)變化過(guò)程中從單一熱源吸熱，全部用來(lái)對(duì)外做功；B.制造一種機(jī)

3、器，把物體與地面摩擦所產(chǎn)生的熱量全部收集起來(lái)再全部加以使用；C.只要對(duì)內(nèi)燃機(jī)不斷進(jìn)行改進(jìn)，它可以把氣體的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；D.即使沒(méi)有漏氣，沒(méi)有摩擦的能量損失，內(nèi)燃機(jī)也不可能把內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。例2.下面關(guān)于嫡的說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A .嫡是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度B.在孤立系統(tǒng)中，一個(gè)自發(fā)的過(guò)程總是向嫡減少的方向進(jìn)行C.熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是嫡是增加的，因此熱力學(xué)第二定律又叫嫡增加原理D .嫡值越大，代表系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)越無(wú)序例3.熱現(xiàn)象過(guò)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(guò)程中無(wú)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(shuō)法中正確的是()A

4、.能量耗散說(shuō)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(guò)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(guò)程具有的方向性例4.熱力學(xué)第二定律常見(jiàn)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(lái)做功，而不引起其他變化。圖（a）是根據(jù)熱力學(xué)第二定律的第二種表述畫(huà)出的示意圖：任何熱機(jī)要維持運(yùn)行必須與外界有兩個(gè)通道（熱源）交換熱量；機(jī)器從一個(gè)通道 （高溫?zé)嵩矗┲形∧芰?，一部分用?lái)完成人們需要它做的功，另一部分不可避免地從另外一個(gè)通道（低溫?zé)嵩矗┲猩l(fā)開(kāi)去。請(qǐng)你根據(jù)第一圖（c）圖（a）高溫

5、物體制冷機(jī)低溫物體種表述完成示意圖（b）。根據(jù)你的理解，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是圖（b）【當(dāng)堂反饋】1 .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度物體.圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫致冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中致冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)致冷 劑液化，放出熱量到箱體外。下列說(shuō)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,電冰箱的致冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，為其消

6、耗了電能C.電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第一定律D.電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律.用隔板將一絕熱容器隔成 A和B兩部分，A中盛有一定質(zhì)量的理想氣體，）?，F(xiàn)把隔板抽去，A中的氣體自動(dòng)充滿整個(gè)容器（如圖），這個(gè)過(guò)程稱為氣體的自由膨脹。下列說(shuō)法正確的是（）A.自由膨脹過(guò)程中，氣體分子只作定向運(yùn)動(dòng)B.自由膨脹前后，氣體的壓強(qiáng)不變C.自由膨脹前后，氣體的溫度不變D.容器中的氣體在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，能全部自動(dòng)回到A部分4.在一個(gè)封閉的房間里有一根長(zhǎng)鐵棒， A B是它的左右兩端，忽然，熱量由 A傳給B,使 端的溫度升高，達(dá)到 20000C以上，A端的溫度降低，低到零下 1000G這件事可能嗎？它違反 熱

7、力學(xué)第一定律嗎？它違反熱力學(xué)第二定律嗎？作業(yè)本：1.下列關(guān)于熱現(xiàn)象的說(shuō)法，正確的是A.外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能一定增加B.氣體的溫度升高，氣體的壓強(qiáng)一定增大C.任何條件下，熱量都不會(huì)由低溫物體傳遞到高溫物體D.任何熱機(jī)都不可能使燃料釋放的熱量完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能2.關(guān)于永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)定律的討論，下列敘述正確的是A.第二類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律B.如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內(nèi)能一定增加C.外界對(duì)物體做功，則物體的內(nèi)能一定增加D .做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)來(lái)看這兩種改變方式是 有區(qū)別的2點(diǎn)插在冷水中，如圖所3.用兩種不同的金屬絲組成一個(gè)回路，接觸點(diǎn)1插在熱水

8、中，接觸示，電流計(jì)指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象。關(guān)于這一現(xiàn)象，正確說(shuō)法是（）A.這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律；B.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱水一定降溫、冷水一定升溫；C.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱水內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能，電能則部分轉(zhuǎn)化成 冷水的內(nèi)能。D.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能，電能則全部 轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能。4.熱現(xiàn)象過(guò)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(guò)程中無(wú)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(shuō)法中正確的是（）A.能量耗散說(shuō)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(guò)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

9、中的宏觀過(guò)程具有的方向性大壩壩高（m）185壩長(zhǎng)（m）2335取大畜水位（m）175水 庫(kù)總庫(kù)容量（m3）103.930 10防洪庫(kù)容量（m3）io2.215 105.下列說(shuō)法不正確的是（）A.嫡和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定B.從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，嫡是分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú) 序（混亂）程度的定量量度C.在絕熱過(guò)程或 孤立系統(tǒng)中，嫡可 能增加，也可能減 少D.自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序度更大的方向發(fā)展.如圖氣缸內(nèi)盛有定量的理想氣體，氣缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與氣缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣?，F(xiàn)將活塞桿與外界連接使之緩慢地向右移動(dòng)，這樣氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)外做功。若已

10、知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說(shuō)法中正確的是（）A.氣體是從單一熱源吸熱，全部用來(lái)對(duì)外做功，因此此過(guò)程違反熱力學(xué)第二定律 B.氣體是從單一熱源吸熱，但并未全部用來(lái)對(duì)外做功，因此此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律 C.氣體是從單一熱源吸熱，全部用來(lái)對(duì)外做功，但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律 D.以上三種說(shuō)法都不對(duì). 一個(gè)物體在粗糙的平面上滑動(dòng)，最后停止，系統(tǒng)的嫡如何變化？ 一定質(zhì)量的氣體被壓縮， 從而放出熱量，其嫡怎樣變化？8 .長(zhǎng)江三峽工程位于長(zhǎng)江西陵峽中段，壩址在湖北省宜昌市三斗坪.三峽工程是一座具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)及養(yǎng)殖和供水巨大綜合利用效益的特大型水利水電工程，長(zhǎng)江三峽具有豐富的水利資源，其主

11、要數(shù)據(jù)如表1、表2所不。表1表2電站總裝機(jī)數(shù)（臺(tái)）26總裝機(jī)容量（kw）1.820 M07年平均發(fā)電量（kW h）_108.468 M0通航萬(wàn)噸級(jí)雙線5級(jí)船閘（座）13000噸級(jí)單線垂直升船機(jī)（座）1年單向通船能力（總噸數(shù)）（t）5X107平均年流量(m3)114.510 10請(qǐng)根據(jù)表1、表2的有關(guān)數(shù)據(jù)回答下列問(wèn)題。最大蓄水位h、平均年流量、年平均消耗水能分別為多少？轉(zhuǎn)化為電能的百分比刀為多少？ (2)若26臺(tái)發(fā)電機(jī)組全部建成并發(fā)電，按設(shè)計(jì)要求年發(fā)電時(shí)間為多少天？.據(jù)中國(guó)環(huán)境報(bào)報(bào)道：從一份科技攻關(guān)課題研究結(jié)果顯示，我國(guó)酸雨區(qū)已占國(guó)土面積的40%以上，研究結(jié)果還表明，我國(guó)農(nóng)業(yè)每年因遭受酸雨而造成

12、的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)15億多元.為了有效控制酸雨，目前國(guó)務(wù)院已批準(zhǔn)酸10.雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)劃分方案等法規(guī).(1)在英國(guó)進(jìn)行的一項(xiàng)研究結(jié)果表明：高煙囪可有效地降低地面濃度.在20世紀(jì)的6070年代的10年間，由發(fā)電廠排放的增加了 35%,但由于建造高煙囪的結(jié)果，地面濃度降低了 30%之多.請(qǐng)你從全球環(huán)境保護(hù)的角度，分析這種作法是否可取？說(shuō)其理由(2)用傳統(tǒng)的煤、石油做燃料，其主要缺點(diǎn)是什么？與傳統(tǒng)的煤、石油做燃料相比，哪種物 質(zhì)可以作為新能源？主要優(yōu)點(diǎn)是什么缺點(diǎn)又是什么？. (1) 1791年，米被定義為：在經(jīng)過(guò)巴黎的子午線上，取從赤道到北極長(zhǎng)度的一千萬(wàn)分之一。請(qǐng)由此估算地球的半球 R。(

13、答案保留二位有效數(shù)字)(2)太陽(yáng)與地球的距離為 1.5X 1011m,太陽(yáng)光以平行光束入射到地面。地球表面 2/3的面積 被水覆蓋，太陽(yáng)在一年中輻射到地球水面部分的總能量W約為1.87父10 241。設(shè)水面對(duì)太陽(yáng)輻射的平均反射率為 7%,而且將吸收到的35%能量重新輻射出去。太陽(yáng)輻射可將水面的水蒸 發(fā)(設(shè)在常溫、常壓下蒸發(fā) 1Kg水需要2.2M106J的能量)，而后凝結(jié)成雨滴降落到地面。則(a)估算整個(gè)地球表面的年平均降雨量(以毫米表示，球面積為4DR2)(b)太陽(yáng)輻射到地球的能量只有約 50%于是達(dá)地面，W只是其中的一部分。 太陽(yáng)輻射到地球的 能量沒(méi)有全部到達(dá)地面，這是為什么？請(qǐng)說(shuō)明兩個(gè)理由

14、。【典型例題】例1: AD.對(duì)于A選項(xiàng)有特例：一定質(zhì)量的理想氣體等溫膨脹過(guò)程，內(nèi)能不變，吸收的熱量全 部對(duì)外做，當(dāng)然引起了其它變化，不違背熱力學(xué)第二定律的表述：不可能從單一熱源吸收熱量而全部對(duì)外做功而不引起其它變化。例2: B.熱力學(xué)第二定律提示： 一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的。例如，功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菣C(jī)械能或電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的過(guò)程是大量分子的有序運(yùn)動(dòng)向無(wú)序運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，氣缸內(nèi)燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功燃?xì)夥肿幼饔行蜻\(yùn)動(dòng)，排出氣缸后作越來(lái)越無(wú)序的運(yùn)動(dòng)。 物理學(xué)中用嫡來(lái)描述系統(tǒng)大量分子運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性程度。 熱力學(xué)第二定律用嫡可表述為： 在任何自然過(guò)程中， 一個(gè)孤立系統(tǒng)的總嫡不會(huì)減小，也就是說(shuō)，一

15、個(gè)孤立系統(tǒng)的嫡總是從嫡小的狀態(tài)向嫡大的狀態(tài)發(fā)展。反映了一個(gè)孤立系統(tǒng)的自然過(guò)程會(huì)沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行?？v上所述可知A、C、D說(shuō)法是正確的，只有 B說(shuō)法與熱力學(xué)第二定律相悖。例3: C、D.所謂能量耗散并不會(huì)使總能量減少，但能量將從高度有用的形式降為不大可用 的形式。能量耗散過(guò)程中能量仍然守恒。所以A錯(cuò)C對(duì)。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(guò)程具有的方向性，熱力學(xué)第二定律已經(jīng)指出了能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化具有方向性，從微觀的角度看是大量分子運(yùn)動(dòng)有序向無(wú)序的變化過(guò)程。所以 B錯(cuò)D正確。例4:觀察圖（b）可知，制冷機(jī)是通過(guò)外力做功把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的，其示 意圖見(jiàn)圖（

16、c）。這說(shuō)明熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，但在一定條件下，熱量可以 從低溫物體傳給高溫物體。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是：自然界中進(jìn)行的與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物 理過(guò)程都具有方向性?！井?dāng)堂反饋】B、C、D.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(guò)程都具有方向性，電流的 能可全部變?yōu)閮?nèi)能（由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知），而內(nèi)能不可能全部變成電流的能.機(jī)械能可全部變?yōu)閮?nèi)能， 而內(nèi)能不可能全部變成機(jī)械能，在熱傳導(dǎo)中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體，所以選項(xiàng)B、C、D正確.BC.由熱力學(xué)第二定律知，熱量不能自發(fā)的有低溫物體傳到高溫物體，除非施加外部的影

17、 響和幫助。電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫外部，需要壓縮機(jī)的幫助并消耗電能。C.氣體自由膨脹過(guò)程中，不對(duì)外做功，絕熱容器，氣體也不從外界吸收熱量，氣體內(nèi)能 不變，即氣體的溫度不變，而由熱力學(xué)第二定律可知，宏觀的熱現(xiàn)象都具有方向性，容器中的 氣體在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，不能全部自動(dòng)回到 A部分。熱量由A傳給B, B端的溫度升高，內(nèi)能增加，而 A端的溫度降低，內(nèi)能減少，這沒(méi)有違 背能量守恒定律，即沒(méi)有違反熱力學(xué)第一定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，因?yàn)椋瑹崃渴遣粫?huì) 自發(fā)的由低溫物體傳給高溫物體而不引起其它變化的.本題中，兩端的溫度相同，無(wú)溫度差， 根本不會(huì)發(fā)生熱傳遞.作業(yè)本：D.外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能

18、增加、減小還是不變要看吸熱情況，所以A錯(cuò)；氣體壓強(qiáng)與溫度和體積兩個(gè)因數(shù)有關(guān)，所以B錯(cuò)；在一定條件下熱量都不會(huì)由低溫物體傳遞到高溫物體，C錯(cuò).D.第二類永動(dòng)機(jī)并不違反能量守恒定律，跟熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程均具有方向性。做功 和熱傳遞是改變物體的內(nèi)能的兩種方式，做功是內(nèi)能和其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化，熱傳遞是內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)移。ABDCDC.在絕熱過(guò)程或孤立系統(tǒng)中，嫡是增加的，叫做嫡增加原理。對(duì)于其它情況， 系統(tǒng)的嫡可能增加，也可能減小。也即是說(shuō)一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從嫡小的狀態(tài)向嫡大 的狀態(tài)發(fā)展，而嫡值較大代表著較為無(wú)序，所以自發(fā)的宏觀過(guò)程總是向無(wú)序程度更 大的方向發(fā)展。C. 一定質(zhì)量的理想氣體等溫膨脹過(guò)程，內(nèi)

19、能不變，吸收的熱量全部對(duì)外做，當(dāng)然已經(jīng)引起了其它變化，不違背熱力學(xué)第二定律的表述因?yàn)槲矬w由于受到摩擦力而停止運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能，增加了系統(tǒng)分子無(wú)規(guī)則運(yùn) 動(dòng)的程度，使得無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，也就是系統(tǒng)的無(wú)序程度增加了，所以系統(tǒng)的嫡增加。氣體被 壓縮過(guò)程中，體積減小，分子間的相對(duì)位置越來(lái)越確定，系統(tǒng)的無(wú)序程度越來(lái)越小，所以嫡減 小。解析：（1）由表1知最大蓄水位為175m；平均年流量為4.510 1011m3；年平均消耗水能E=mgh =4.510 011 X103X9.8 175J=7.9 W17J;轉(zhuǎn)化為電能的百分比Y =電上=8.468 M010X103 3600/7.9 10=38.6%。（2）設(shè)年發(fā)電時(shí)間為 t, t=E 電/P=8.468 X 1010/1.820 X 107h=193.9d。解析：本題涉及能源、環(huán)保等社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，我們要從化學(xué)視角去關(guān)注這些與生態(tài)環(huán)境、人們的健康密切相關(guān)的問(wèn)題.環(huán)境污染的惡果是直接影響人類的延續(xù)和發(fā)展，酸雨是影響全球的問(wèn)題.減少酸雨的產(chǎn)生