人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學案：3 4 熱力學第二定律

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第4節(jié)熱力學第二定律〖學習目標要求〗1.知道一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。2.知道熱力學第二定律的兩種表述內容，并能運用該定律解決一些實際問題。3.了解自然界中的能量轉化和轉移，知道能量耗散的概念。一、熱力學第二定律1.一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。如物體間的傳熱、氣體的膨脹、擴散、有摩擦的機械運動……都有特定的方向性。2.反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學第二定律。〖判一判〗(1)熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體。(√)(2)傳熱是有方向性的。(√)(3)氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的。(√)二、熱力學第二定律的兩種表述1.熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。闡述的是傳熱的方向性。2.熱機熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質的內能。第二個階段是工作物質對外做功，把自己的內能變成機械能。3.熱力學第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。(該表述闡述了機械能與內能轉化的方向性)〖判一判〗(1)熱量不能從低溫物體傳到高溫物體。(×)(2)不可逆過程指的是某過程只沿某個方向發(fā)生，而不可能在沒有外界影響(或不產生其他影響)的情況下沿相反方向發(fā)生。(√)(3)內能不可能完全轉化為機械能。(×)(4)一切形式的能量間的相互轉化都不具有可逆性。(×)三、能源是有限的1.能量的轉移和轉化具有方向性：在各種生產生活中，人們利用的各種形式的能最終都轉化成內能流散到周圍的環(huán)境中。2.能量耗散根據熱力學第二定律，分散在環(huán)境中的內能不管數量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能自動聚集起來驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫作“能量耗散”。3.能源：是指具有高品質的容易利用的儲能物質。探究1熱力學第二定律的理解1.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。據報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。2.其他影響：指除了從單一熱庫吸收的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響；或者除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到相同的熱量外，其他一切影響和變化，不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功，而是這樣做的結果，一定伴隨著其他變化或影響。同樣，也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產生其他影響的自動傳熱是不可能的。3.關于“不可能”：實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時，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，過程所產生的其他一切影響，不論用任何曲折復雜的辦法都不可能加以消除。4.兩種表述是等價的如果克勞修斯表達不成立，則開爾文表述也不成立。5.適用條件：只能適用于由很大數目分子所構成的系統(tǒng)及有限范圍內的宏觀過程，而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴展到無限的宇宙?！祭?〗(多選)關于熱力學第二定律，下列說法中正確的是()A.不可能從單一熱庫吸熱并把它全部用來做功，而不引起其他變化B.沒有冷凝器，只有單一的熱庫，能將從單一熱庫吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機是可以實現的C.制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣而不引起其他變化D.在火力發(fā)電中，燃氣的內能不可能全部變成電能〖答案〗AD〖解析〗熱力學第二定律揭示了與熱現象有關的物理過程的方向性，A正確；機械能和內能的轉化過程具有方向性，機械能可以全部轉化為內能，而內能要全部轉化為機械能必須有外界的幫助，故B錯誤；冰箱向外傳遞熱量時消耗了電能，故C錯誤；火力發(fā)電時，能量轉化的過程為內能→機械能→電能，因為內能向機械能轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內能必然不會全部變?yōu)殡娔?，故D正確?！祭?〗(多選)如圖所示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.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C.電冰箱的工作原理不違背熱力學第二定律D.電冰箱的工作原理違背熱力學第二定律〖答案〗BC〖解析〗根據熱力學第二定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，要想使熱量從低溫物體傳到高溫物體必須借助于其他系統(tǒng)做功，故A錯誤，B正確；電冰箱的工作原理不違背熱力學第二定律，故C正確，D錯誤?！坚槍τ柧?〗(多選)對于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是()A.系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小B.系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C.系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展D.系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更有序的狀態(tài)發(fā)展〖答案〗AC〖解析〗在孤立體系中發(fā)生的實際過程，其系統(tǒng)的總熵是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯誤；根據熵增加原理，系統(tǒng)總是自發(fā)地從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展，故C正確，D錯誤。探究2永動機不可能制成1.永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的一種機器，永動機是不可能制成的。2.人類通過對大量的實踐經驗進行總結得知，要獲得一種能量，一定需要利用另一種能量通過做功的方式進行轉化，能量不能被產生。即不可能設計、創(chuàng)造出一種不消耗任何能量而能源源不斷地對外做功的永動機。3.永動機失敗的原因分析：如果沒有外界熱庫供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統(tǒng)內能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對外做功是要以內能減少為代價的。若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下是不可能的。〖例3〗如圖所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片，輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動。下列說法正確的是()A.轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量B.轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身C.轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量〖答案〗D〖解析〗形狀記憶合金從熱水中吸收熱量后，一部分能量在伸展劃水時轉化為水和轉輪的動能，另一部分釋放到空氣中，根據能量守恒定律可知只有D項正確。〖針對訓練2〗(多選)下列說法正確的是()A.一個熱力學系統(tǒng)吸收了熱量，其內能不一定增加B.絕熱情況下，外界對物體做了正功，物體的內能也不一定增加C.根據熱力學第二定律可知，熱機的效率不可能達到100%D.第二類永動機是不可能制造出來的，因為它不僅違反熱力學第一定律，也違反熱力學第二定律〖答案〗AC〖解析〗一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于氣體從外界吸收的熱量與外界對它所做的功的和，故A正確，B錯誤；根據熱力學第二定律“不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響”，故C正確；第二類永動機不違反熱力學第一定律，但違反熱力學第二定律，故D錯誤。探究3能量耗散和品質降低的理解1.能量耗散自然界中集中度較高(即有序度較高)的能量，如機械能、電能、化學能，當它們變?yōu)榄h(huán)境的內能后，就成為更加分散的能量，沒有辦法把這些分散的內能重新變成品質高的能量加以利用，這樣的現象叫作能量耗散。各種形式的能量向內能的轉化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的，能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性。2.能量品質的降低能量耗散雖然不會使能量減少，卻會導致能量品質的降低，它實際上將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式。煤、石油、天然氣等能源儲存著高品質的能量，在利用它們的時候，高品質的能量釋放出來并最終轉化為低品質的內能。內能較之機械能、電能、光能、核能等是一種低品質能量。雖然能量不會減少但能源越來越少，所以要節(jié)約能源。〖例4〗下列說法正確的是()A.能量耗散說明能量在不斷減少B.能量耗散從能量轉化角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性C.對能源的過度消耗將使自然界的能量不斷減少，形成能源危機D.根據熱力學第二定律，在火力發(fā)電機中，燃氣的內能可以全部轉化為電能〖答案〗B〖解析〗能量耗散是指能量的可利用率越來越低，由于能量守恒，故能量不會減少，A錯誤；根據熱力學第二定律可知，與熱現象有關的宏觀自然過程具有方向性，能量耗散就是從能量的角度反映了這種方向性，B正確；根據能量守恒定律，自然界的能量不會減少，C錯誤；火力發(fā)電機發(fā)電時，能量轉化的過程為化學能—內能—機械能—電能，因為內能—機械能的轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內能必然不能全部變?yōu)殡娔?，D錯誤。1.(熱力學第二定律的理解)(多選)下列說法正確的是()A.熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體B.熱量不能從低溫物體傳到高溫物體C.傳熱是有方向性的D.氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的〖答案〗ACD〖解析〗如果是自發(fā)地進行，熱量只能從高溫物體傳到低溫物體，但這并不是說熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，只是不能自發(fā)地進行，在外界條件的幫助下，熱量也能從低溫物體傳到高溫物體，A、C正確，B錯誤；氣體向真空中膨脹的過程也是不可逆，具有方向性的，D正確。2.(熱力學第二定律的理解)關于熱力學第二定律，下列說法正確的是()A.熱力學第二定律是通過實驗總結出來的實驗定律B.熱力學第二定律是通過大量自然現象的不可逆性總結出來的經驗定律C.熱力學第二定律是物理學家從理論推導得出來的結果D.熱力學第二定律沒有理論和實驗的依據，因此沒有實際意義〖答案〗B〖解析〗熱力學第二定律是物理學家通過對大量自然現象的分析，又總結了生產和生活經驗得到的結論，是一個經驗定律，它并不能通過理論和實驗來證明，但它符合客觀事實，因此是正確的。它揭示了熱現象宏觀自然過程的方向性，使人們認識到第二類永動機不可能制成，對我們認識自然和利用自然有著重要的指導意義。3.(能量耗散和品質降低的理解)(多選)熱現象過程中不可避免地出現能