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)物理觀念通過對自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程方向性的實例分析，了解歸納熱力學(xué)第二定律的過程和方法?？茖W(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。科學(xué)探究探究熱機的工作原理。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．擴散現(xiàn)象：相互擴散混合的兩種物體，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。方向性低溫高溫熱量1.若室內(nèi)的溫度恒定，一杯熱水靜置一段時間后就會變成一杯常溫的水，但一杯常溫的水不會自行變成一杯熱水。下落的石頭因為與空氣摩擦而變熱，一部分機械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，但石頭不能把內(nèi)能自動轉(zhuǎn)化為機械能，使自己重新飛上天去。請對以下說法作出判斷：(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)進行是有方向性的。

()√×√2．我們假想：發(fā)明一種熱機，并用來對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動能，而不引起其他變化。這是否可能？提示：熱機不能把它得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，因為熱機必須有熱源和冷凝器，熱機工作時，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，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)化為機械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。新知學(xué)習(一)|熱力學(xué)第二定律的理解及應(yīng)用[任務(wù)驅(qū)動]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。

[重點釋解]1．對熱力學(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。在傳熱過程中不會對其他物體產(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”：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)報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。(4)“不可能”：實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)一個過程結(jié)束時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫以外，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。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][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)，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，能使該房間降溫B．蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能C．一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(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升高，故A不可能發(fā)生；蒸汽機不可能把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，轉(zhuǎn)化過程中必然存在能量耗散，故B不可能發(fā)生；一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(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/易錯警示/對熱力學(xué)第二定律理解的兩個誤區(qū)(1)誤認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)誤認為機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機械能。機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機械能；但是，前者可以不產(chǎn)生其他影響，而后者一定會產(chǎn)生其他影響。[針對訓(xùn)練]1．下列哪一個過程具有方向性

(

)①熱傳導(dǎo)過程②機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程③氣體的擴散過程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(二)|熱機和第二類永動機[任務(wù)驅(qū)動]如圖所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖，請在圖片基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)制冷機工作時熱量是自發(fā)地從低溫熱庫傳到高溫熱庫嗎？提示：不是。熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫時需要有外界做功。(2)熱機工作時是否將從高溫熱庫吸收的熱量全部用來做功？提示：否。熱機工作時只將從高溫熱庫吸收熱量的一部分用來做功，剩余的釋放到低溫熱庫。

[重點釋解]1．熱機的特點(1)熱機不僅僅只有一個熱庫。(2)熱機的效率不可能達到100%。2．第二類永動機不能制成的原因：違反了熱力學(xué)第二定律(不違反能量守恒定律)。3．第二類永動機不能制成的意義(1)機械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化成機械能。(2)機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。(3)兩類永動機的比較第一類永動機：不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去)。第二類永動機：將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)。[典例體驗][典例]電能被廣泛應(yīng)用在動力、照明、化學(xué)、紡織、通信、廣播等各個領(lǐng)域，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展、人民經(jīng)濟飛躍的主要動力。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標準煤完全燃燒時產(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標準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的標準煤[答案]

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

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

2．在熱學(xué)中，下列說法正確的是

(

)A．第一類永動機不可制成是由于它違背了能量守恒定律B．第二類永動機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械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為機械能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外做功的第一類永動機是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律，故A正確；從單一熱庫吸收熱量而對外做功的第二類永動機不違反能量守恒定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，故B錯誤；熱力學(xué)第二定律告訴我們機械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能在“一定的條件下”也能轉(zhuǎn)化為機械能，故C錯誤；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錯誤。答案：A

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

(

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

D．第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，隨著科技的進步和發(fā)展，第二類永動機可以被制造出來解析：機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，只是在這個過程中會引起其他變化，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動無序性增大的方向進行的，B正確；制冷機也不能使溫度降到－293℃(低于絕對零度)，C錯誤；第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，第二類永動機不可能被制造出來，D錯誤。答案：AB

一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(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)，這是一個可逆過程還是不可逆過程？在這個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)，此過程是一個不可逆過程，這個過程中杯子的無序程度增加了，所以熵增加了。

科學(xué)思維——熱機及其效率2．(選自滬科版新教材課后練習)設(shè)一臺蒸汽機中，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，機械磨損損失0.7×106J。試畫出其能流圖。這臺蒸汽機輸出的機械能是多少？熱機的效率是多少？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。高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉(zhuǎn)前進，分子熱運動速率較小的氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊緣部位。氣流到達分離擋板處時，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動平均速率一定小于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，中心部位為熱運動速率較低的氣體，與擋板碰撞后反彈，從A端流出，而邊緣部位熱運動速率較高的氣體從B端流出；同種氣體分子平均熱運動速率較大，其對應(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動速率較小，B端流出的氣體分子熱運動速率