第三節(jié) 熱力學第二定律

第三節(jié)熱力學第二定律核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)了解熱力學第二定律的內涵。(2)知道自然界宏觀過程的方向性?？茖W思維(1)知道與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程的方向性。(2)能用熱力學第二定律解釋常見的不可逆過程。科學態(tài)度與責任能依據(jù)道德規(guī)范評價物理技術的應用，具有保護環(huán)境、節(jié)約資源、促進可持續(xù)發(fā)展的責任感。一、熱現(xiàn)象的方向性1．熱傳導的方向性(1)熱量可以自發(fā)地從_____物體傳遞給_____物體，或者由物體的_____部分傳遞給______部分。(2)熱量不能自發(fā)地從______物體傳遞給_____物體，或者由物體的_____部分傳遞給______部分。(3)熱傳導過程是________過程，具有________。高溫低溫高溫低溫低溫高溫低溫高溫不可逆方向性2．機械能和內能轉化的方向性(1)機械能和內能的轉化過程具有________。(2)機械能可以______轉化為內能，內能卻無法全部用來做功以轉化為機械能，而不_______________。(3)第二類永動機：從__________吸收熱量并全部用來做功的熱機。由于違反能量轉化的________，因此第二類永動機是不可能制造出來的。3．擴散的方向性兩種不同的氣體可以_______混合，最后成為一種均勻的混合氣體，相反，一種均勻的混合氣體卻不會________分開成為兩種氣體。方向性全部產(chǎn)生其他影響單一熱源方向性自發(fā)地自發(fā)地二、熱力學第二定律1．克勞修斯表述熱量不能________從低溫物體傳遞到高溫物體?；蛘哒f，不可能使熱量由___________傳遞到__________，而不引起其他變化。(說明熱傳導的方向性)2．開爾文表述不可能從__________吸收熱量并把它全部用來_____，而不產(chǎn)生其他影響。(說明機械能與內能轉化的方向性)自發(fā)地低溫物體高溫物體單一熱源做功1.

若室內的溫度恒定，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，一部分機械能轉化成了內能，但石頭不能把內能自動轉化為機械能，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。

(

)√×√2．兩個不同的物體接觸時，熱量自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發(fā)地”的含義是什么？提示：“自發(fā)地”的含義是指沒有任何外界影響或者其他幫助。3．我們假想：發(fā)明一種熱機，并用來對物體做功，將內能全部轉化為動能，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能全部轉化為機械能，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化為機械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。新知學習(一)|熱力學第二定律的理解及應用[任務驅動]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)空調和冰箱是如何傳遞熱量的？提示：空調和冰箱可以通過電機做功，把熱量從溫度比較低的房間內或冰箱內傳遞到房間外或冰箱外。

[重點釋解]1．對熱力學第二定律的理解(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)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。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，則構成機器的工作物質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)一個循環(huán)結束時，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。4．熱力學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，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，能使該房間降溫B．蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化為機械能C．一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉化為內能D．在熱傳導中，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，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能全部轉化為機械能，轉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，物體的動能全部轉化為內能，C可能發(fā)生；在熱傳導中，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化為內能，而內能不能完全轉化為機械能。機械能可以完全轉化為內能，內能也可以完全轉化為機械能；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。[針對訓練]1．下列哪一個過程具有方向性

(

)①熱傳導過程②機械能向內能的轉化過程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)象有關的宏觀過程，根據(jù)熱力學第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性，故D正確，A、B、C錯誤。答案：D2．

(多選)用兩種不同材料的金屬絲組成一個回路，接觸點1插在熱水中，接觸點2插在冷水中，如圖所示，電流計指針會發(fā)生偏轉，這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象。關于這一現(xiàn)象的正確說法是

(

)A．這一實驗不違背熱力學第二定律B．在實驗過程中，熱水溫度降低，冷水溫度升高C．在實驗過程中，熱水的內能全部轉化成電能，電能則部分轉化成冷水的內能D．在實驗過程中，熱水的內能只有部分轉化成電能，電能則全部轉化成冷水的內能解析：自然界中的任何自然現(xiàn)象或過程都不違反熱力學第二定律，本實驗現(xiàn)象也不違反熱力學第二定律，A正確；整個過程中能量守恒且傳熱有方向性，B正確；在實驗過程中，熱水中的內能除轉化為電能外，還升高了金屬絲的溫度，內能不能全部轉化為電能；電能除轉化為冷水的內能外，還升高了金屬絲的溫度，電能不能全部轉化為冷水的內能，C、D錯誤。答案：AB新知學習(二)|熱機和第二類永動機[任務驅動]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)機械能可全部轉化成內能，但內能不能全部轉化成機械能。(2)機械能和內能的轉化過程具有方向性。(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)第二類永動機將內能全部轉化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內能與機械能的轉化)[典例體驗][典例]

電能被廣泛應用在動力、照明、化學、紡織、通信、廣播等各個領域，是科學技術發(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[針對訓練]1．(多選)關于熱機的效率，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)熱力學第二定律，熱機效率永遠也達不到100%。答案：AC

2．在熱學中，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．熱力學第二定律告訴我們機械能可以轉化為內能而內能不能轉化為機械能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，但違反了熱力學第二定律，故B錯誤；熱力學第二定律告訴我們機械能可以轉化為內能，而內能在“一定的條件下”也能轉化為機械能，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

一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——熱現(xiàn)象的方向性1．(選自人教版新教材課后練習)以下哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生、哪些不能發(fā)生？能夠發(fā)生的現(xiàn)象是否違背熱力學第二定律？(1)一杯熱茶自然放置，茶會自動變得更熱。(2)蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能。(3)桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離。(4)電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體。提示：(1)、(2)不能發(fā)生。(3)、(4)能發(fā)生，不違背熱力學第二定律。

科學思維——熱機及其效率2．(選自滬科版新教材課后練習)設一臺蒸汽機中，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？二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．17世紀70年代，英國賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設計了一種磁力“永動機”，其結構如圖所示，在斜面頂端放一塊強磁鐵M，斜面上、下端各有一個小孔P、Q，斜面下有一個連接兩小孔的彎曲軌道。維爾金斯認為：如果在斜坡底放一個鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會沿斜面向上運動，當球運動到P孔時，它會漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時球具有速度所以可以對外做功，然后鐵球又被磁鐵吸引回到上端，到P處又漏下……對于這個設計，下列判斷正確的是

(

)A．滿足能量守恒定律，所以可行B．不滿足熱力學第二定律，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：D2．(多選)如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是

(

)A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內傳到冰箱外B．電冰箱消耗電能，其制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內的熱

量傳到外界，在室內打開冰箱門并不能起到制冷的效果C．電冰箱的工作原理違反熱力學第一定律D．電冰箱的工作原理不違反熱力學第二定律解析：由熱力學第二定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，除非有外界的影響或幫助，電冰箱把熱量從低溫物體傳到高溫物體，需要壓縮機的幫助并消耗了電能，電冰箱的工作原理不違反熱力學第二定律，B、D正確，A錯誤；熱力學第一定律是熱現(xiàn)象中內能與其他形式能的轉化或內能轉移的規(guī)律，是能量守恒定律的具