第3節(jié) 熱力學(xué)第二定律

第3節(jié)熱力學(xué)第二定律核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念通過對(duì)自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程方向性的實(shí)例分析，了解歸納熱力學(xué)第二定律的過程和方法。科學(xué)思維(1)知道與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程的方向性。(2)能用熱力學(xué)第二定律解釋常見的不可逆過程?？茖W(xué)探究探究熱機(jī)的工作原理。一、自然界中宏觀過程的方向性1．熱傳遞：只能從______物體傳向______物體。2．?dāng)U散現(xiàn)象：相互擴(kuò)散混合的兩種物體，不能________分開。3．能量轉(zhuǎn)化：內(nèi)能不能_________全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。高溫低溫自發(fā)地自發(fā)地二、熱力學(xué)第二定律1．熱力學(xué)第二定律：在物理學(xué)中，能夠揭示宏觀自然過程________規(guī)律。2．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述熱量不可能自發(fā)地從______物體傳遞到______物體。3．熱力學(xué)第二定律的開爾文表述不可能從單一熱源吸收_______，使之全部變成功，而不產(chǎn)生其他影響。方向性低溫高溫?zé)崃?.若室內(nèi)的溫度恒定，一杯熱水靜置一段時(shí)間后就會(huì)變成一杯常溫的水，但一杯常溫的水不會(huì)自行變成一杯熱水。下落的石頭因?yàn)榕c空氣摩擦而變熱，一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，但石頭不能把內(nèi)能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使自己重新飛上天去。請(qǐng)對(duì)以下說法作出判斷：(1)熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳遞到低溫物體。

()(2)熱量不可能由低溫物體傳遞到高溫物體。

()(3)能量傳遞自發(fā)進(jìn)行是有方向性的。

()√×√2．我們假想：發(fā)明一種熱機(jī)，并用來對(duì)物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而不引起其他變化。這是否可能？提示：熱機(jī)不能把它得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因?yàn)闊釞C(jī)必須有熱源和冷凝器，熱機(jī)工作時(shí)，總要向冷凝器放熱，不可避免地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量Q，即使是理想熱機(jī)，沒有摩擦，沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。新知學(xué)習(xí)(一)|熱力學(xué)第二定律的理解及應(yīng)用[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖是熱量在傳遞過程中的情景。討論：(1)在自然過程中熱量是如何傳遞的？提示：熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調(diào)和冰箱是如何傳遞熱量的？提示：空調(diào)和冰箱可以通過電機(jī)做功，把熱量從溫度比較低的房間內(nèi)或冰箱內(nèi)傳遞到房間外或冰箱外。

[重點(diǎn)釋解]1．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解(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。在傳熱過程中不會(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”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。(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)一個(gè)過程結(jié)束時(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，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。4．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。[典例體驗(yàn)][典例]

(多選)下列現(xiàn)象不可能發(fā)生的是

(

)A．在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺(tái)正在工作的電冰箱的門打開，能使該房間降溫B．蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C．一個(gè)在粗糙的水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體最終要停下來，物體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．在熱傳導(dǎo)中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體[解析]

在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺(tái)正在工作的電冰箱的門打開，消耗了電能，產(chǎn)生了焦耳熱，所以房間溫度不僅不能降低還會(huì)升高，故A不可能發(fā)生；蒸汽機(jī)不可能把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，轉(zhuǎn)化過程中必然存在能量耗散，故B不可能發(fā)生；一個(gè)在粗糙的水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體最終要停下來，物體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C可能發(fā)生；在熱傳導(dǎo)中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，D可能發(fā)生。[答案]

AB/易錯(cuò)警示/對(duì)熱力學(xué)第二定律理解的兩個(gè)誤區(qū)(1)誤認(rèn)為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體，不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，也可以由低溫物體傳到高溫物體；但是，前者可以自發(fā)完成，而后者則必須有外界參與。(2)誤認(rèn)為機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；但是，前者可以不產(chǎn)生其他影響，而后者一定會(huì)產(chǎn)生其他影響。[針對(duì)訓(xùn)練]1．下列哪一個(gè)過程具有方向性

(

)①熱傳導(dǎo)過程②機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程③氣體的擴(kuò)散過程④氣體向真空中的膨脹過程A．①② B．②③C．①②③ D．①②③④解析：這四個(gè)過程都是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程，根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性，故D正確，A、B、C錯(cuò)誤。答案：D

2．(2022·廣東高考)利用空調(diào)將熱量從溫度較低的室內(nèi)傳遞到溫度較高的室外環(huán)境，這個(gè)過程________(選填“是”或“不是”)自發(fā)過程。該過程空調(diào)消耗了電能，空調(diào)排放到室外環(huán)境的熱量__________(選填“大于”“等于”或“小于”)從室內(nèi)吸收的熱量。解析：利用空調(diào)將熱量從溫度較低的室內(nèi)傳遞到溫度較高的室外環(huán)境，需要空調(diào)的壓縮機(jī)工作，不是自發(fā)過程；由于該過程消耗了電能，產(chǎn)生了電熱的空調(diào)排放到室外環(huán)境的熱量應(yīng)等于電熱加上從室內(nèi)吸收的熱量，即空調(diào)排放到室外環(huán)境的熱量大于從室內(nèi)吸收的熱量。答案：不是大于新知學(xué)習(xí)(二)|熱機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖所示是制冷機(jī)和熱機(jī)的工作過程示意圖，請(qǐng)?jiān)趫D片基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)制冷機(jī)工作時(shí)熱量是自發(fā)地從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)嗎？提示：不是。熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)時(shí)需要有外界做功。(2)熱機(jī)工作時(shí)是否將從高溫?zé)釒?kù)吸收的熱量全部用來做功？提示：否。熱機(jī)工作時(shí)只將從高溫?zé)釒?kù)吸收熱量的一部分用來做功，剩余的釋放到低溫?zé)釒?kù)。

[重點(diǎn)釋解]1．熱機(jī)的特點(diǎn)(1)熱機(jī)不僅僅只有一個(gè)熱庫(kù)。(2)熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%。2．第二類永動(dòng)機(jī)不能制成的原因：違反了熱力學(xué)第二定律(不違反能量守恒定律)。3．第二類永動(dòng)機(jī)不能制成的意義(1)機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。(2)機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。(3)兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)：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)。第二類永動(dòng)機(jī)：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)。[典例體驗(yàn)][典例]電能被廣泛應(yīng)用在動(dòng)力、照明、化學(xué)、紡織、通信、廣播等各個(gè)領(lǐng)域，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展、人民經(jīng)濟(jì)飛躍的主要?jiǎng)恿?。如圖所示為火電站電能產(chǎn)生與使用過程中各階段的能量轉(zhuǎn)化效率，已知1kg標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量約為2.93×107J。則

(

)A．發(fā)電站的發(fā)電效率約為40%B．提高輸送電壓可以提高發(fā)電站的發(fā)電效率C．1kg標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒能輸送到用戶端的電能約為9.4×106JD．用戶端消耗1kW·h的電能，發(fā)電站需要燒0.5kg的標(biāo)準(zhǔn)煤[答案]

C[針對(duì)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于熱機(jī)的效率，下列說法正確的是(

)A．有可能達(dá)到80% B．有可能達(dá)到100%C．有可能超過80% D．一定能達(dá)到100%解析：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱機(jī)效率永遠(yuǎn)也達(dá)不到100%。答案：AC

2．在熱學(xué)中，下列說法正確的是

(

)A．第一類永動(dòng)機(jī)不可制成是由于它違背了能量守恒定律B．第二類永動(dòng)機(jī)不可制成是由于它違背了能量守恒定律C．熱力學(xué)第二定律告訴我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．熱量只能從高溫物體傳向低溫物體，而不能從低溫物體傳向高溫物體解析：不消耗能量而不斷對(duì)外做功的第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，因?yàn)樗`背了能量守恒定律，故A正確；從單一熱庫(kù)吸收熱量而對(duì)外做功的第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，故B錯(cuò)誤；熱力學(xué)第二定律告訴我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能在“一定的條件下”也能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故C錯(cuò)誤；熱量能從高溫物體傳向低溫物體，在“一定的條件下”也能從低溫物體傳向高溫物體，故D錯(cuò)誤。答案：A

3．(多選)根據(jù)熱學(xué)中的有關(guān)知識(shí)，判斷下列說法中正確的是

(

)A．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能B．自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行的C．盡管技術(shù)不斷進(jìn)步，熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機(jī)卻可以使溫度降到－293℃

D．第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，第二類永動(dòng)機(jī)可以被制造出來解析：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只是在這個(gè)過程中會(huì)引起其他變化，A正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行的，B正確；制冷機(jī)也不能使溫度降到－293℃(低于絕對(duì)零度)，C錯(cuò)誤；第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，第二類永動(dòng)機(jī)不可能被制造出來，D錯(cuò)誤。答案：AB

一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——熵和熵增加原理1．(選自魯科版新教材“物理聊吧”)一只完好的杯子從高處落到地上摔碎了(如圖所示)，這是一個(gè)可逆過程還是不可逆過程？在這個(gè)過程中熵是增加還是減少？為什么？提示：完好的杯子落到地上摔碎了，它不可能自發(fā)地恢復(fù)到原來的狀態(tài)，此過程是一個(gè)不可逆過程，這個(gè)過程中杯子的無序程度增加了，所以熵增加了。

科學(xué)思維——熱機(jī)及其效率2．(選自滬科版新教材課后練習(xí))設(shè)一臺(tái)蒸汽機(jī)中，1kg煤完全燃燒后，產(chǎn)生2.9×107J的熱量，其分配情況如下：鍋爐損失5.9×106J，傳送蒸汽損失1.2×106J，蒸汽冷凝損失4.0×106J，廢氣帶走損失1.4×107J，機(jī)械磨損損失0.7×106J。試畫出其能流圖。這臺(tái)蒸汽機(jī)輸出的機(jī)械能是多少？熱機(jī)的效率是多少？答案：能流圖見解析3.2×106J

11.0%A．滿足能量守恒定律，所以可行B．不滿足熱力學(xué)第二定律，所以不可行C．不滿足機(jī)械能守恒定律，所以不可行D．不滿足能量守恒定律，所以不可行解析：該裝置可以持續(xù)不斷的對(duì)外做功，違背了能量守恒定律，故不可行，D正確。答案：D

2．(2022·湖南高考)(多選)利用“渦流效應(yīng)”可實(shí)現(xiàn)冷熱氣體的分離。如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構(gòu)成。高壓氮?dú)庥蓢娮烨邢蛄魅霚u流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，分子熱運(yùn)動(dòng)速率較小的氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運(yùn)動(dòng)速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊緣部位。氣流到達(dá)分離擋板處時(shí)，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從A端流出，邊緣部位氣流從B端流出。下列說法正確的是

(

)A．A端為冷端，B端為熱端B．A端流出的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)平均速率一定小于B端流出的C．A端流出的氣體內(nèi)能一定大于B端流出的D．該裝置氣體進(jìn)出過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律E．該裝置氣體進(jìn)出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學(xué)第二定律解析：依題意，中心部位為熱運(yùn)動(dòng)速率較低的氣體，與擋板碰撞后反彈，從A端流出，而邊緣部位熱運(yùn)動(dòng)速率較高的氣體從B端流出；同種氣體分子平均熱運(yùn)動(dòng)速率較大，其對(duì)應(yīng)的溫度也就較高，所以A端為冷端，B端為熱端，故A正確；依題意，A端流出的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率較小，B端流出的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率