高中物理新粵教版選修33學案第3章第4節(jié)熱力學第二定律

第四節(jié)熱力學第二定律學習目標重點難點1．通過自然界中熱傳導方向性的實例，了解熱力學第二定律，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制造成功的原因．2．能用熱力學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．3．嘗試運用熱力學第二定律解決一些實際問題.1．熱力學第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質(zhì)．(重點)2．第二類永動機及其不能制成的原因．(重點)3．對熵概念的理解．(難點)一、自然過程的方向性1．基本知識(1)熱傳導的方向性①兩個溫度不同的物體互相接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，最后兩個物體溫度相同達到熱平衡．②熱傳導過程是有方向性的．即熱量從高溫物體向低溫物體的熱傳導過程是能自發(fā)進行的．(2)機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性①機械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是可以自發(fā)進行的．②內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，是不能自發(fā)進行的．③第二類永動機(ⅰ)定義：從單一熱源吸熱全部用來做功，而不引起其他變化的熱機．(ⅱ)不可能制成原因：違背了熱力學第二定律．2．思考判斷(1)在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體． (√)(2)第二類永動機不可能制造成功是因為能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，或者從一種形式轉(zhuǎn)化成為另一種形式． (×)(3)熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體． (×)3．探究交流熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，我們所說的“自發(fā)地”指的是沒有任何外界影響或者幫助．電冰箱是讓“熱”由低溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境．這是不是自發(fā)進行的？說明理由．【提示】電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，在該過程中電冰箱要消耗電能．電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱量會自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高．二、熱力學第二定律及微觀解釋1．基本知識(1)熱力學第二定律的表述①克勞修斯的表述熱量不能自動地從低溫物體傳遞到高溫物體．或者說，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．②開爾文的表述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．(2)熱力學第二定律的微觀實質(zhì)①做功是與分子群體的有序運動聯(lián)系在一起的，內(nèi)能是和分子的無序運動聯(lián)系在一起的，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，從微觀上來說，是大量分子的有序運動朝無序運動的方向轉(zhuǎn)換的過程，其相反方向的過程是大量分子從無序運動朝有序運動方向轉(zhuǎn)換的過程．②熱傳導過程是使物體內(nèi)部分子的熱運動由比較有序的狀態(tài)向無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程．③與熱現(xiàn)象有關的自發(fā)的宏觀過程，總是朝著分子熱運動狀態(tài)無序性增加的方向進行的．2．思考判斷(1)我們可以利用高科技手段，將流散到周圍環(huán)境中的內(nèi)能重新收集起來加以利用而不引起其他變化． (×)(2)利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，這在原理上是可行的． (√)3．探究交流隨著科技的不斷發(fā)展，假如能夠使熱機沒有漏氣、沒有摩擦、也沒有機體熱量損失，是不是能夠使熱機效率達到100%.【提示】不能，原因是熱機的工作物質(zhì)吸收的熱量不能全部用來做功，如汽車尾氣會帶走一部分熱量．三、熵基本知識(1)意義：描述物體的無序程度，物體內(nèi)部分子熱運動無序程度越高，物體的熵就越大．(2)分子自由膨脹過程是一個向大量分子運動的無序性增加的方向進行的過程，氣體的熵是增加的，這個過程可以自發(fā)進行．對熱力學第二定律實質(zhì)的理解【問題導思】1．熱力學第二定律的各種表述的內(nèi)容是什么？2．熱力學第二定律的不同表述有什么共同的物理意義？1．克勞修斯表述指明熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助，其物理本質(zhì)是揭示了熱傳遞過程是不可逆的．2．開爾文表述中的“單一熱源”指溫度恒定且均勻的熱源．“不引起其他變化”是指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化．其物理實質(zhì)揭示了熱變功過程是不可逆的．3．兩種表述是等價的甲乙如果克勞修斯表述不成立，則開爾文表述也不成立．4．熱力學第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的．1．在可以引起其他影響的情況下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如空調(diào)、冰箱等．2．分析熱力學第二定律的應用問題時都不能忽視“自發(fā)性”和“不引起其他變化”的物理意義．隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺問題日顯突出，近期油價不斷攀升，已對各國人民的日常生活造成了各種影響，如排長隊等待加油的情景已經(jīng)多次在世界各地發(fā)生，能源成為困擾世界經(jīng)濟發(fā)展的重大難題之一，下列有關能量轉(zhuǎn)化的說法中正確的是()A．不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他的變化B．只要對內(nèi)燃機不斷改進，就可以把內(nèi)燃機得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能C．滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)地進行D．外界對物體做功，物體的內(nèi)能必然增加【審題指導】(1)與熱現(xiàn)象有關的宏觀現(xiàn)象具有方向性．(2)熱力學第二定律的兩種表述的理解．【解析】由熱力學第二定律的開爾文表述可知A對．熱機效率總低于100%，B錯．滿足能量守恒的過程未必能自發(fā)進行，任何過程一定滿足熱力學第二定律，C錯．由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即內(nèi)能不一定增加，D錯．【答案】A1．(雙選)下列關于熱力學第二定律說法正確的是()A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發(fā)生B．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機械能C．氣體向真空的自由膨脹是可逆的D．熱運動的宏觀過程會有一定的方向性【解析】熱運動的宏觀過程會有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏觀過程并不能都真的發(fā)生，故A錯誤，D正確；根據(jù)熱力學第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，所以氣體向真空的自由膨脹是不可逆的．故C錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響，所以機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機械能．故B正確．故選BD.【答案】BD熱力學第一、第二定律的比較及兩類永動機的比較【問題導思】1．熱力學第一定律和第二定律有什么區(qū)別和聯(lián)系？2．對比兩類永動機不能制成的原因各是什么？1．熱力學第一定律與熱力學第二定律比較熱力學第一定律熱力學第二定律區(qū)別熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的表現(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熱力學第二定律是關于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關的物理過程、化學過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結，從而否定了第二類永動機聯(lián)系兩定律都是熱力學基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關的物理過程所遵循的規(guī)律，二者相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎2.兩類永動機的比較分類第一類永動機第二類永動機設計要求不消耗任何能量，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)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)不可能的原因違背了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律違背了熱力學第二定律關于兩類永動機和熱力學兩個規(guī)律，下列說法正確的是()A．第二類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第一定律B．第一類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第二定律C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，熱傳遞也不一定改變內(nèi)能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內(nèi)能D．由熱力學第二定律可知熱從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的【解析】第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機違背熱力學第二定律，A、B錯；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯；由熱力學第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但不引起其他變化是不可能的，D對．【答案】D熱力學第一定律和熱力學第二定律的應用技巧1．應用熱力學第一定律，一定要考慮改變物體內(nèi)能的兩種方式，只有做功和熱傳遞兩方面都確定，才能確定物體內(nèi)能的變化．2．熱力學第二定律的理解，關鍵是對熱現(xiàn)象宏觀過程的方向性的理解，要抓住“自發(fā)”和“不引起其他變化”等所表述的物理意義．2．(雙選)關于第二類永動機，下列說法中正確的是()A．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叫作第二類永動機B．第二類永動機違背了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能D．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變化【解析】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叫作第二類永動機．故A正確；第二類永動機違背了熱力學第二定律．故B錯誤；機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變化．故D正確，C錯誤．故選A、D.【答案】AD熵——無序程度的量度【問題導思】1．什么是熵？它是由什么決定的？2．從熵的概念分析，熱力學第二定律的實質(zhì)是什么？1．熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動能大小一樣，系統(tǒng)越混亂無序程度越大，這個系統(tǒng)的熵就越大．2．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：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程度更大的方向發(fā)展．下面關于熵的說法中錯誤的是()A．熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度B．在自然過程中一個孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的C．熱力學第二定律也叫作熵減小原理D．熵值越大代表著越無序【解析】一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學第二定律的微觀意義．系統(tǒng)的熱力學過程就是大量分子向無序程度大的狀態(tài)變化的過程．自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的熵值不會減小，因此，熱力學第二定律又稱為熵增加原理，因此，A、B、D正確，C錯誤．【答案】C3．將一滴紅墨水滴入一杯清水中，紅墨水會逐漸擴散到整杯水中，呈均勻分布，試說明這個過程中熵的變化．【解析】一滴紅墨水和一杯清水這兩個系統(tǒng)是比較有序的，也可以說無序程度較小，即熵值較小．當把這兩個系統(tǒng)混合后，隨著紅墨水擴散的進行，系統(tǒng)內(nèi)這種宏觀狀態(tài)的無序程度大大增強，所以系統(tǒng)的熵值大大增加．【答案】熵是增加的對熱力學第二定律的兩種表述是等價的證明熱力學第二定律常見的表述有兩種．第一種表述：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；第二種表述：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．圖甲是根據(jù)熱力學第二定律的第一種表述畫出的示意圖：外界對制冷機做功，使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體．請你根據(jù)第二種表述完成示意圖乙．根據(jù)你的理解，熱力學第二定律的實質(zhì)是________．甲乙【解析】觀察甲圖說明制冷機是通過外力做功把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的．圖乙如圖所示．【答案】一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性1．明確熱力學第二定律的兩種表述是等效的．其實質(zhì)是自然界中進行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．2．特別注意“不引起其他變化”和“引起其他變化”．熱量從低溫物體可以傳到高溫物體，但要“引起其他變化”．1．(雙選)關于熱傳導的方向性，下列說法正確的是()A．熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體B．熱量能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體C．在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體D．熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體【解析】在有外力做功的情況下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體，而熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體．【答案】AC2．下列說法正確的是()A．熱力學第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性B．電流流過導體轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，反過來，可將內(nèi)能收集起來，再轉(zhuǎn)化成相同大小的電流C．可以做成一種熱機，由熱源吸取一定的熱量而對外做功D．冰可以融化成水，水也可以結成冰，這個現(xiàn)象違背了熱力學第二定律【解析】熱力學第二定律說明了一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都是有方向性的，但并沒有否認以特殊方式利用能量的可能性，故A錯；功和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性，其逆過程是不可能自發(fā)實現(xiàn)的，故B錯；冰融化成水，水結成冰，伴隨著能量的轉(zhuǎn)移，不是自發(fā)進行的，沒有違背熱力學第二定律．【答案】C3．第二類永動機不可能制成，是因為()A．違背了能量守恒定律B．熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體C．機械能不能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變化【解析】第二類永動機的設想并不違背能量守恒定律，但卻違背了涉及熱現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)化過程是有方向性的規(guī)律，A錯；在引起其他變化的情況下，熱量也可由低溫物體非自發(fā)地傳遞到高溫物體，B錯；機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如物體克服摩擦力做功的過程，C錯；但在不引起其他變化的情況下，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機械能，D對．【答案】D4．(雙選)關于氣體向真空中擴散的規(guī)律的敘述中正確的是(