人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：3 4 熱力學(xué)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(xué)第二定律〖學(xué)習(xí)目標要求〗1.知道一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。2.知道熱力學(xué)第二定律的兩種表述內(nèi)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(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，知道能量耗散的概念。一、熱力學(xué)第二定律1.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)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(xué)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(xué)第二定律的兩種表述1.熱力學(xué)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(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能。第二個階段是工作物質(zhì)對外做功，把自己的內(nèi)能變成機械能。3.熱力學(xué)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(chǎn)生其他影響。(該表述闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)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(chǎn)生其他影響)的情況下沿相反方向發(fā)生。(√)(3)內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機械能。(×)(4)一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都不具有可逆性。(×)三、能源是有限的1.能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化具有方向性：在各種生產(chǎn)生活中，人們利用的各種形式的能最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能流散到周圍的環(huán)境中。2.能量耗散根據(jù)熱力學(xué)第二定律，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)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(qū)動機器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。3.能源：是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲能物質(zhì)。探究1熱力學(xué)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(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。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(jié)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(chǎn)生其他影響的自動傳熱是不可能的。3.關(guān)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?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝?，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何曲折復(fù)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(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)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。〖例1〗(多選)關(guān)于熱力學(xué)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(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而不引起其他變化D.在火力發(fā)電中，燃氣的內(nèi)能不可能全部變成電能〖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，A正確；機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機械能可以全部轉(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(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機械能→電能，因為內(nèi)能向機械能轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內(nèi)能必然不會全部變?yōu)殡娔埽蔇正確?！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(nèi)、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(nèi)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(nèi)傳到冰箱外B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)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(xué)第二定律D.電冰箱的工作原理違背熱力學(xué)第二定律〖答案〗BC〖解析〗根據(jù)熱力學(xué)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(xué)第二定律，故C正確，D錯誤?！坚槍τ?xùn)練1〗(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(jù)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(jīng)驗進行總結(jié)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(zhuǎn)化，能量不能被產(chǎn)生。即不可能設(shè)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(nèi)能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)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?！祭?〗如圖所示，一演示用的“永動機”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片，輕推轉(zhuǎn)輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動。下列說法正確的是()A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身C.轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為水和轉(zhuǎn)輪的動能，另一部分釋放到空氣中，根據(jù)能量守恒定律可知只有D項正確。〖針對訓(xùn)練2〗(多選)下列說法正確的是()A.一個熱力學(xué)系統(tǒng)吸收了熱量，其內(nèi)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(nèi)能也不一定增加C.根據(jù)熱力學(xué)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(xué)第一定律，也違反熱力學(xué)第二定律〖答案〗AC〖解析〗一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)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(jù)熱力學(xué)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(chǎn)生其他影響”，故C正確；第二類永動機不違反熱力學(xué)第一定律，但違反熱力學(xué)第二定律，故D錯誤。探究3能量耗散和品質(zhì)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(xué)能，當(dāng)它們變?yōu)榄h(huán)境的內(nèi)能后，就成為更加分散的能量，沒有辦法把這些分散的內(nèi)能重新變成品質(zhì)高的能量加以利用，這樣的現(xiàn)象叫作能量耗散。各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的，能量耗散從能量轉(zhuǎn)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(zhì)的降低能量耗散雖然不會使能量減少，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)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(zhì)的能量，在利用它們的時候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的內(nèi)能。內(nèi)能較之機械能、電能、光能、核能等是一種低品質(zhì)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?！祭?〗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(zhuǎn)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(jù)熱力學(xué)第二定律，在火力發(fā)電機中，燃氣的內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)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(jù)熱力學(xué)第二定律可知，與熱現(xiàn)象有關(guān)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(jù)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(zhuǎn)化的過程為化學(xué)能—內(nèi)能—機械能—電能，因為內(nèi)能—機械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內(nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔埽珼錯誤。1.(熱力學(xué)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(xué)第二定律的理解)關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列說法正確的是()A.熱力學(xué)第二定律是通過實驗總結(jié)出來的實驗定律B.熱力學(xué)第二定律是通過大量自然現(xiàn)象的不可逆性總結(jié)出來的經(jīng)驗定律C.熱力學(xué)第二定律是物理學(xué)家從理論推導(dǎo)得出來的結(jié)果D.熱力學(xué)第二定律沒有理論和實驗的依據(jù)，因此沒有實際意義〖答案〗B〖解析〗熱力學(xué)第二定律是物理學(xué)家通過對大量自然現(xiàn)象的分析，又總結(jié)了生產(chǎn)和生活經(jīng)驗得到的結(jié)論，是一個經(jīng)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(xiàn)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(dǎo)意義。3.(能量耗散和品質(zhì)降低的理解)(多選)熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能