高中物理(新教材)選修三課件：3-4熱力學(xué)第二定律 人教版

3.4熱力學(xué)第二定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解熱傳遞、擴(kuò)散現(xiàn)象、機(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等都具有方向性。知道具有方向性的過程為不可逆的。2.了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，并能用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動機(jī)不能制造成功。3.能用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題,并能解決一些實際問題。4.了解能量耗散、能源和環(huán)境。知識梳理1．可逆與不可逆過程(熱傳導(dǎo)的方向性)熱傳導(dǎo)的過程可以自發(fā)地由________物體向________物體進(jìn)行，但相反方向卻不能__________進(jìn)行，即熱傳導(dǎo)具有________性，是一個不可逆過程。2．熱力學(xué)第二定律的一種表述(克勞修斯表述)熱量不能自發(fā)地從________物體傳遞到________物體。3．熱力學(xué)第二定律的一種表述(開爾文表述)不可能從

吸收熱量，使之完全變成____，而不產(chǎn)生其他影響。高溫低溫自發(fā)地方向低溫高溫單一熱庫功5.能量耗散能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有

。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，分散在環(huán)境中的內(nèi)能

起來驅(qū)動機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。6.能量品質(zhì)的降低能源是指具有

的容易利用的儲能物質(zhì)，例如石油、天然氣、煤等。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的

下降了。方向性不能自動聚集高品質(zhì)品質(zhì)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_______。(2)氣體向真空的自由膨脹是________的。方向性不可逆7.熵：熵可用來表達(dá)一個系統(tǒng)的無序程度，系統(tǒng)從有序向無序的發(fā)展過程中熵在

。8.熵增加原理：在自發(fā)過程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展，即一個孤立系統(tǒng)的熵值總是不

的。增加減少自我檢測1.判斷1.熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。

(

)2.科技發(fā)達(dá)后，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%。

(

)3.機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(

)4.各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生的。(

)5.能夠制成的熱機(jī)既不違背能量守恒定律，也不違背熱力學(xué)第二定律。(

)6.能量耗散使能量的總量減少，違背了能量守恒定律。

(

)7.根據(jù)能量守恒定律可知，節(jié)約能源是沒有必要的。

(

)?√?√√?√2.在研究性學(xué)習(xí)的過程中，同學(xué)們提出了以下四個活動方案，哪些從理論上講是可行的(

)A.將散失在周圍環(huán)境中的內(nèi)能全部收回再利用B.發(fā)明一種制冷設(shè)備，使溫度降至絕對零度C.汽車尾氣中各類有害氣體排入大氣后發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象嚴(yán)重污染了空氣，使它們自發(fā)地聚在一起，既清潔了空氣，又變廢為寶D.在房屋頂部蓋上太陽能板，可用太陽能來解決照明和熱水問題解析：系統(tǒng)的內(nèi)能流失到周圍環(huán)境中，想要全部收回再利用只能消耗更多能源，A錯；溫度不能無限降低，絕對零度不可能達(dá)到，B錯；擴(kuò)散現(xiàn)象具有方向性，逆過程不可能自發(fā)進(jìn)行，C錯；太陽能可以用來發(fā)電和進(jìn)行加熱，D正確。D3.(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，下列說法中正確的是(

)A.不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化B.沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機(jī)是可以實現(xiàn)的C.制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中，而不引起其他變化D.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化解析熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須借助外部的幫助，即會引起其他變化，A選項正確，B選項錯誤；熱傳遞過程具有方向性，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但是熱量要從低溫物體傳給高溫物體，必然要引起其他變化，故C選項錯誤，D選項正確。答案：AD解析熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須借助外部的幫助，即會引起其他變化，A選項正確，B選項錯誤；熱傳遞過程具有方向性，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但是熱量要從低溫物體傳給高溫物體，必然要引起其他變化，故C選項錯誤，D選項正確。答案：AD4.“能源危機(jī)”是當(dāng)今世界各國共同面臨的問題。對此，以下措施可行的是(

)A.人人都要自覺做到節(jié)約用水、節(jié)約用電，不浪費(fèi)和人為毀壞物品B.關(guān)閉所有的火力發(fā)電站C.各地都要興建水力和風(fēng)力發(fā)電站D.立即停止使用石油資源，改為使用核能和太陽能解析：受地域環(huán)境的限制，風(fēng)力、水力發(fā)電站不能在各地興建，因而不能關(guān)閉所有的火力發(fā)電站，故B、C錯誤。受技術(shù)限制，核能和太陽能尚不能完全替代石油資源，故D錯誤。A選項說法正確。A合作學(xué)習(xí)情景河水只能從高處流向低處，“奔流到海不復(fù)回”，不會自動地從低處流向高處。成語“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不可能再倒回盆中的。下落的石頭也不會把內(nèi)能自動轉(zhuǎn)化為動能，使自己重新飛上天去。(1)這些現(xiàn)象說明什么道理?(2)能否使這些現(xiàn)象逆向進(jìn)行?

(3)傳熱的方向性能否簡單理解為“熱量不會從低溫物體傳給高溫物體”?一、對熱力學(xué)第二定律的理解提示：(1)這些現(xiàn)象說明自然界的宏觀過程不可能自動地逆向進(jìn)行。(2)可以使這些現(xiàn)象逆向進(jìn)行，但不是自發(fā)地，必須有第三者的介入。(3)不能。能夠?qū)崿F(xiàn)熱量從低溫物體傳給高溫物體，如電冰箱，但這不是自發(fā)地進(jìn)行的，需要消耗電能。1.對熱力學(xué)第二定律的幾點理解(1)克勞修斯表述中“自發(fā)”二字指的是：當(dāng)兩個物體接觸時，不需要任何第三者的介入、不會對任何第三者產(chǎn)生任何影響，熱量就能從一個物體傳向另一個物體。當(dāng)兩個溫度不同的物體接觸時，這個“自發(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體的。(2)熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“外界的影響或幫助”，就是要由外界對其做功才能完成。(3)開爾文表述中的“不可能從單一熱庫吸收熱量”，意思是：不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。“其他影響”指的是：不是不能從單一熱庫吸收熱量全部用來做功，而是這樣做的結(jié)果，一定伴隨著其他變化或影響；同樣，熱量也不是不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產(chǎn)生其他影響的自動傳熱是不可能的。(3)開爾文表述中的“不可能從單一熱庫吸收熱量”，意思是：不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱?！捌渌绊憽敝傅氖牵翰皇遣荒軓膯我粺釒煳諢崃咳坑脕碜龉?，而是這樣做的結(jié)果，一定伴隨著其他變化或影響；同樣，熱量也不是不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產(chǎn)生其他影響的自動傳熱是不可能的。定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律區(qū)別熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機(jī)熱力學(xué)第二定律是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)，從而否定了第二類永動機(jī)聯(lián)系兩者都是熱力學(xué)基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律，二者相互獨立，又相互補(bǔ)充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)2.熱力學(xué)第二定律與第一定律的比較

3.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述與開爾文表述的對比項目克勞修斯表述開爾文表述作用闡述了傳熱的方向性；傳熱的過程可以自發(fā)地由高溫物體向低溫物體進(jìn)行，但相反方向卻不能自發(fā)地進(jìn)行，這是一個不可逆過程闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能等價性和實質(zhì)如果克勞修斯表述不成立，則開爾文表述也不成立。不管如何表述，熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)都是相同的，即一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的

舉例①傳熱過程的方向性

②擴(kuò)散現(xiàn)象的方向性

③機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性

④氣體向真空中自由膨脹的方向性

⑤電能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性

例1：根據(jù)熱力學(xué)定律，下列判斷正確的是(

)A.空調(diào)可以制冷說明熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體B.利用淺層海水和深層海水間的溫度差制造出一種熱機(jī)，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這在原理上是可行的C.制冷系統(tǒng)能將冰箱內(nèi)的熱量傳給外界較高溫度的空氣，而不引起其他變化D.滿足能量守恒定律的客觀過程都可以自發(fā)地進(jìn)行解析：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，A錯；由熱力學(xué)第二定律可知，B正確；熱量從低溫物體傳給高溫物體時一定會引起其他變化，C錯；只滿足能量守恒定律而不滿足熱力學(xué)第二定律的過程是不可能發(fā)生的，D錯。B2.第二類永動機(jī)問題1：如圖所示為國內(nèi)某柴油機(jī)廠所產(chǎn)的單缸柴油機(jī)，圖中上方部分為水箱，熱機(jī)工作時，內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能嗎?為什么?水箱所起的作用是什么?提示：柴油機(jī)工作時水箱所起的作用是作為低溫?zé)釒旖o熱機(jī)快速降溫，在內(nèi)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的過程中，內(nèi)能有一部分轉(zhuǎn)移到低溫?zé)釒欤豢赡苋哭D(zhuǎn)化為機(jī)械能。問題2：我們把“從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的熱機(jī)稱為第二類永動機(jī)”，如果隨著科技的不斷發(fā)展，能夠使熱機(jī)沒有漏氣、沒有摩擦，是不是就能制成第二類永動機(jī)?提示：不能。即使沒有摩擦、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，例如汽車排出氣體的溫度一定會比空氣的溫度高，它會向空氣散熱。所以說第二類永動機(jī)是不可能制成的。

2.兩類永動機(jī)的比較第一類永動機(jī)第二類永動機(jī)設(shè)計要求不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很少的能量啟動后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個熱庫，實現(xiàn)內(nèi)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)不可能制成的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學(xué)第二定律例2關(guān)于兩類永動機(jī)和熱力學(xué)的兩個定律，下列說法正確的是(

)A.第一類永動機(jī)不可能制成是因為違反了熱力學(xué)第二定律B.第二類永動機(jī)不可能制成是因為違反了熱力學(xué)第一定律C.由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，傳熱也不一定改變內(nèi)能，但同時做功和傳熱一定會改變內(nèi)能D.由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫吸收熱量，完全變成功也是可能的解析根據(jù)所學(xué)的熱機(jī)知識可知選項A正確。第二類永動機(jī)不違反能量守恒定律，但是違反熱力學(xué)第二定律，所以選項B錯誤。機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能在引起其他變化時可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，選項C錯誤，選項D正確。AD隨堂練習(xí)1.下列說法正確的是()A．在自然條件下，熱傳遞的過程是不可逆的B．熱量不可能由高溫物體傳遞給低溫物體C．氣體的擴(kuò)散過程具有方向性D．一切形式能量轉(zhuǎn)化都不具有方向性AC2.關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學(xué)規(guī)律，下列說法正確的是(

)A．只要知道氣體的摩爾體積和阿伏加德羅常數(shù)，就可以算出每個氣體分子的體積B．一定質(zhì)量的理想氣體溫度升高，產(chǎn)生的壓強(qiáng)一定增大C．溫度一定時，懸浮在液體中的固體顆粒越大，布朗運(yùn)動越明顯D．第二類永動機(jī)不可能制成是因為它違反了熱力學(xué)第二定律D3.關(guān)于第二類永動機(jī)，下列說法中正確的是()A．它既不違反熱力學(xué)第一定律，也不違反熱力學(xué)第二定律B．它既違反了熱力學(xué)第一定律，也違反了熱力學(xué)第二定律C．它不違反熱力學(xué)第一定律，只違反熱力學(xué)第二定律D．它只違反熱力學(xué)第一定律，不違反熱力學(xué)第二定律C4.熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是(

)A.能量耗散不符合熱力學(xué)第一定律B.能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C.能量耗散過程中能量不守恒D.能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程具有方向性D備用工具&資料3.關(guān)于第二類永動機(jī)，下列說法中正確的是()A．它既不違反熱力學(xué)第一定律，也不違反熱力學(xué)第二定律B．它既違反了熱力學(xué)第一定律，也違反了熱力學(xué)第二定律C．它不違反熱力學(xué)第一定律，只違反熱力學(xué)第二定律D．它只違反熱力學(xué)第一定律，不違反熱力學(xué)第二定律C隨堂練習(xí)1.下列說法正確的是()A．在自然條件下，熱傳遞的過程是不可逆的B．熱量不可能由高溫物體傳遞給低溫物體C．氣體的擴(kuò)散過程具有方向性D．一切形式能量轉(zhuǎn)化都不具有方向性AC知識梳理1．可逆與不可逆過程(熱傳導(dǎo)的方向性)熱傳導(dǎo)的過程可以自發(fā)地由________物體向________物體進(jìn)行，但相反方向卻不能__________進(jìn)行，即熱傳導(dǎo)具有________性，是一個不可逆過程。2．熱力學(xué)第二定律的一種表述(克勞修斯表述)熱量不能自發(fā)地從________物體傳遞到________物體。3．熱力學(xué)第二定律的一種表述(開爾文表述)不可能從

吸收熱量，使之完全變成____，而不產(chǎn)生其他影響。高溫低溫自發(fā)地方向低溫高溫單一熱庫功7.熵：熵可用來表達(dá)一個系統(tǒng)的無序程度，系統(tǒng)從有序向無序的發(fā)展過程中熵在

。