教科版高中物理選擇性必修三3.3熱力學(xué)第二定律學(xué)案

熱力學(xué)第二定律1、了解熱力學(xué)第二定律的發(fā)展簡史，2、了解什么是第二類永動機，為什么第二類永動機不可以制成。3、了解熱傳導(dǎo)的方向性，4、了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述方法，以及這兩種表述的物理實質(zhì)，5、了解什么是能量耗散知識點一、熱力學(xué)第二定律(1)熱力學(xué)第二定律常見的兩種表述：①按熱傳遞的方向性來表述：不可能使熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化?！藙谛匏贡硎?，這是按熱傳遞的方向性來表述的。②按機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述：不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化?！_爾文表述，這是按機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向來表述的。(2)兩種表述是等價的。可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述，兩種表述都稱為熱力學(xué)第二定律。(3)熱力學(xué)第二定律的意義揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，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，是獨立于熱力學(xué)第一定律的一個重要自然規(guī)律。點睛：熱力學(xué)第二定律的適用范圍①適用于宏觀過程，對微觀過程不適用；②孤立系統(tǒng)有限范圍，對整個宇宙不適用。知識點二、熱力學(xué)第二定律的理解(1)一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行。我們所說的有序狀態(tài)，指的是對應(yīng)著較少微觀態(tài)的那樣的宏觀態(tài)。自發(fā)的過程總是傾向于出現(xiàn)與較多微觀態(tài)對應(yīng)的宏觀態(tài)，因此自發(fā)的過程總是從有序向著無序發(fā)展的。(2)熵①“熵”的名稱是由德國物理學(xué)家道爾夫·克勞修斯于1868年提出來的，它代表著宇宙中不能再被轉(zhuǎn)化做功的能量的總和的測定單位，即熵的增加表示宇宙物質(zhì)的日益混亂和無序，是無效能量的總和。熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣，都是一個狀態(tài)函數(shù)，僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。從分子運動論的觀點來看，熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。②熱力學(xué)幾率：與同一宏觀態(tài)相應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)稱為熱力學(xué)幾率。記為Ω。③熵與熱力學(xué)幾率的關(guān)系：S＝klnΩ，k是波爾茲曼常數(shù)。④熵增加原理：一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展。因此熱力學(xué)第二定律也叫做熵增加原理。(3)熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意見從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過程總是從包含微觀態(tài)數(shù)少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)多的宏觀態(tài)過渡，從熱力學(xué)幾率小的狀態(tài)向熱力學(xué)幾率大的狀態(tài)過渡，從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展。知識點三、能源是有限的(1)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。(2)能源是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲能物質(zhì)，例如石油、天然氣、煤等。(3)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。(4)能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。1．人們采用“太陽常數(shù)”來描述地球大氣層上方的太陽輻射照度。它是指平均日地距離時，在地球大氣層上界垂直于太陽輻射的單位表面積上所接受的太陽輻射能。近年來通過各種先進手段測得的太陽常數(shù)的標準值為。又知地球半徑約為。試根據(jù)上述數(shù)據(jù)估算一下太陽每秒輻射到地球的總能量?！敬鸢浮俊驹斀狻坑深}意可知太陽常數(shù)的標準值垂直于太陽輻射光的地球的有效面積故每秒輻射到地球的總能量2．如圖所示，豎直放置的圓柱形氣缸由上下兩部分組成，上面部分橫截面為4S，下面部分橫截面為S，兩部分高度均為H，氣缸頂部導(dǎo)熱良好，其余部分絕熱。氣缸內(nèi)有一質(zhì)量為的絕熱活塞，將氣缸內(nèi)的理想氣體分成上下兩部分，初始時兩部分氣體壓強均為p0，溫度均為T0。現(xiàn)用電熱絲對下面部分氣體緩慢加熱，并保證上面部分氣體溫度保持T0不變，不計活塞與氣缸之間的摩擦，重力加速度為g。求：（1）活塞剛離開MN、PQ時下面部分氣體的溫度T1；（2）當(dāng)活塞升高時下面部分氣體的溫度T2。【答案】（1）；（2）【詳解】（1）活塞對MN、PQ壓力為零時下部分氣體的壓強p滿足由查理定律可得上兩式聯(lián)立解得（2）當(dāng)活塞升高時，對上面部分氣體對活塞，由平衡條件對下面部分氣體解得1．根據(jù)熱力學(xué)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【答案】B【詳解】A．第二類永動機違反了熱力學(xué)第二定律，因此不可能制成，故A錯誤；B．效率為100%的熱機是不可能制成的，故B正確；C．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；D．從單一熱源吸收熱量，不可能使之完全變?yōu)橛杏霉?，故D錯誤。故選B。2．下列說法正確的是（）A．隨著科技的進可以使溫度降低到零下300攝氏度B．相對濕度越小，人感覺越潮濕C．液體與固體是否浸潤，是由固體的材料決定D．露珠呈球形是由于液體表面張力的作用【答案】D【詳解】A．根據(jù)熱力學(xué)第三定律，絕對零度不可達，也就是零下273.15℃不可達，零下300攝氏度根本不存在，A錯誤；B．相對濕度越小，人感覺越干燥，B錯誤；C．液體與固體是否浸潤，是由固體的材料和液體的性質(zhì)決定，不僅僅由固體的材料決定，C錯誤；D．露珠呈球形是由于液體表面張力的作用，D正確。故選D。3．關(guān)于能量的轉(zhuǎn)化，下列說法中正確的是（）A．摩擦生熱的過程在任何情況下都是不可逆的B．空調(diào)既能制熱又能制冷說明熱傳遞不存在方向性C．永動機不存在的原因是能量在某些特殊情況下是不守恒的D．由于能量的轉(zhuǎn)化過程符合守恒定律，所以不會發(fā)生能源危機【答案】A【詳解】A．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，摩擦生熱的過程在任何情況下都是不可逆的，A正確；B．空調(diào)既能制熱又能制冷，但是消耗電能，說明在不自發(fā)地條件下熱傳遞方向可以逆向，不違背熱力學(xué)第二定律，B錯誤；C．永動機不存在的原因是違背了能量守恒定律，C錯誤；D．由于能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化是有方向性的，雖然能量守恒，但是還會產(chǎn)生能源危機，D錯誤。故選A。4．下列說法中錯誤的是（）A．溫度越高布朗運動越劇烈，說明液體分子的熱運動與溫度有關(guān)B．對于一定質(zhì)量的理想氣體，溫度升高，氣體內(nèi)能一定增大C．氣體總是充滿容器，說明氣體分子間只存在斥力D．熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體【答案】C【詳解】A．布朗運動說明了液體分子永不停息地做無規(guī)則運動。溫度越高布朗運動越劇烈，說明液體分子的熱運動與溫度有關(guān)。故A正確；B．對于一定質(zhì)量的理想氣體，分子勢能忽略不計，氣體的內(nèi)能包含分子動能，溫度升高分子的平均動能增大，氣體內(nèi)能一定增大。故B正確；C．氣體總是充滿容器，是分子氣體分子做永不停息的熱運動的結(jié)果，并不能夠說明氣體分子間存在斥力。故C錯誤；D．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，但會引起其它的一些變化。故D正確；本題選擇錯誤的，故選C。5．煤、石油、水能、生物能的共同點是（）A．都是來自太陽輻射的能量 B．都是可再生常規(guī)能源C．都是不可再生的能源 D．都是二次能源【答案】A【詳解】煤、石油、水能、生物能的共同點是都是來自太陽輻射的能量，煤和石油都是不可再生能源，而水能和生物能是可再生能源；從自然界直接獲取的能源為一次能源，煤、石油和水能可以從自然界里直接得到，屬于一次能源。故選A。6．熱傳導(dǎo)的規(guī)律為（）A．熱量總是從熱量較多的物體傳遞給熱量較少的物體B．熱量總是從溫度較高的物體傳遞給溫度較低的物體C．熱量總是從內(nèi)能較多的物體傳遞給內(nèi)能較少的物體D．熱量總是從比熱容較大的物體傳遞給比熱容較小的物體【答案】B【詳解】AB．熱量總是自發(fā)的從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體；也可以從溫度低的物體傳遞到溫度高度的物體，但引起其它的變化；不能說熱量總是從熱量較多的物體傳遞給熱量較少的物體，故A錯誤，B正確；C．熱量總是從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體，與內(nèi)能多少沒有關(guān)系，故C錯誤；D．熱量總是從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，和物體的比熱容沒有關(guān)系，故D錯誤。故選B。7．以下關(guān)于熱運動的說法中正確的是（）A．做功只能改變物體的機械能而熱傳遞只能改變物體的內(nèi)能B．自然界中可以存在上萬度的高溫，但低溫的極限是0開C．凡是能量守恒的過程一定能夠自發(fā)地發(fā)生D．布朗運動是分子永不停息的無規(guī)則熱運動【答案】B【詳解】A．做功是能量的轉(zhuǎn)化，熱傳遞是能量的轉(zhuǎn)移，這兩者在改變物體內(nèi)能方面是等效的，A錯誤；B．熱力學(xué)第三定律的內(nèi)容是絕對零度永遠無法達到，B正確；C．一個過程同時要滿足能量守恒定律和熱力學(xué)第二定律才可發(fā)生，比如熱量不能自發(fā)的從低溫物體傳遞到高溫物體，C錯誤；D．布朗運動是懸浮顆粒受到周圍液體分子或氣體分子撞擊不平衡產(chǎn)生的無規(guī)則運動，不是分子的無規(guī)則運動，D錯誤。故選B。8．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，汽虹左邊裝有一定質(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(yù)，氣