人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：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PAGEPAGE14熱力學(xué)第二定律〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.通過自然界中客觀過程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律.2.了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質(zhì).3.能運用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移以及宏觀自然過程的方向性問題.4.認(rèn)識能量耗散，知道能源是有限的．一、熱力學(xué)第二定律1．定義：在物理學(xué)中，反映宏觀自然過程的方向性的定律．2．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．3．熱力學(xué)第二定律的開爾文表述：(1)熱機①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．②熱機用于做功的熱量一定小于它從高溫?zé)釒煳盏臒崃?，即W<Q.(2)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)．4．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的．(選填“等價”或“不等價”)二、能源是有限的1．能源：具有高品質(zhì)的容易利用的儲能物質(zhì)．2．能量耗散：使用的能源轉(zhuǎn)化成內(nèi)能分散在環(huán)境中不能自動聚集起來驅(qū)動機器做功，這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”．3．能源的使用過程中雖然能的總量保持不變，但能量的品質(zhì)下降了，能源減少了．1．判斷下列說法的正誤．(1)熱量不會從低溫物體傳給高溫物體．(×)(2)機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機械能．(×)(3)可以從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Γ?√)(4)能源是取之不盡、用之不竭的．(×)2．熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，這說明熱傳遞過程具有________．冰箱工作時，能把冰箱內(nèi)的熱量傳遞到冰箱外，這________(填“違反”或“不違反”)熱力學(xué)第二定律．〖答案〗方向性不違反一、對熱力學(xué)第二定律的理解導(dǎo)學(xué)探究(1)熱傳遞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”？(2)如圖1所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖，通過此圖思考以下問題：①制冷機工作時熱量是自發(fā)地從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒靻?？②熱機工作時能否將從高溫?zé)釒煳盏臒崃咳坑脕碜龉?？圖1〖答案〗(1)不能．兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高，這個過程是自發(fā)進(jìn)行的，不需要任何外界的影響或者幫助，有時我們也能實現(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．(2)①不是②不能知識深化1．自然過程的方向性(1)熱傳導(dǎo)具有方向性兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而低溫物體不可能自發(fā)地將熱量傳給高溫物體，要實現(xiàn)低溫物體向高溫物體傳遞熱量，必須借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其他影響或引起其他變化．(2)氣體的擴散現(xiàn)象具有方向性兩種不同的氣體可以自發(fā)地進(jìn)入對方，最后成為均勻的混合氣體，但這種均勻的混合氣體，決不會自發(fā)地分開，成為兩種不同的氣體．(3)機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性物體在地面上運動，因摩擦而逐漸停止下來，但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后，在地面上重新運動起來．(4)氣體向真空膨脹具有方向性氣體可自發(fā)地向真空容器內(nèi)膨脹，但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出，使容器內(nèi)變?yōu)檎婵眨?．在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”“單一熱庫”“不可能”的含義(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．在傳遞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(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)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(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．(4)“不可能”：實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)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，不論用任何的辦法都不可能加以消除．特別提醒(1)熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價的．(2)熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)：熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．下列過程中可能發(fā)生的是()A．某種物質(zhì)從高溫?zé)嵩次?0kJ的熱量，全部轉(zhuǎn)化為機械能，而沒有產(chǎn)生其他任何影響B(tài)．打開一高壓密閉容器，其內(nèi)氣體自發(fā)逸出后又自發(fā)跑進(jìn)去，恢復(fù)原狀C．利用其他手段，使低溫物體溫度更低，高溫物體的溫度更高D．將兩瓶不同液體混合，然后它們又自發(fā)地各自分開〖答案〗C〖解析〗根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不可能從低溫物體自發(fā)地傳遞給高溫物體，而不引起其他的影響，但通過一些其他手段是可以實現(xiàn)的，故C項正確；內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能不可能自發(fā)地進(jìn)行，要使內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能必定要引起其他變化，故A項錯誤；氣體膨脹具有方向性，故B項錯誤；擴散現(xiàn)象也有方向性，故D項錯誤．(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．不可能從單一熱庫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〖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；熱傳遞過程也具有方向性，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到高溫物體，必然要引起其他變化(外界對系統(tǒng)做功)，C選項錯誤，D選項正確．1．一切物理過程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理過程不一定均能實現(xiàn)．2．熱力學(xué)第二定律的兩種表述分別對應(yīng)著一種“不可能”，但都有一個前提條件“自發(fā)地”或“不產(chǎn)生其他影響”，如果去掉這種前提條件，就都是有可能的．例如電冰箱的作用就是使熱量從低溫物體傳到高溫物體，等溫膨脹就是從單一熱庫吸收熱量，使之完全用來做功，但不是自發(fā)地或是產(chǎn)生了其他影響．二、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的比較1．兩定律的比較熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律區(qū)別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)的物理過程、化學(xué)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聯(lián)系兩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，二者既相互獨立，又相互補充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)2.兩類永動機的比較第一類永動機第二類永動機設(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(或只有一個熱庫，實現(xiàn)內(nèi)能向機械能的轉(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(多選)對于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的理解，下列說法正確的是()A．一定質(zhì)量的氣體膨脹對外做功100J，同時從外界吸收120J熱量，則它的內(nèi)能增加20JB．物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加，物體對外界做功，其內(nèi)能一定減少C．第二類永動機違反了熱力學(xué)第二定律，沒有違反熱力學(xué)第一定律D．凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體〖答案〗AC〖解析〗根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，說明內(nèi)能增加了20J，故A正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知ΔU>0，內(nèi)能增加，ΔU<0，內(nèi)能減小，ΔU的大小由W、Q共同決定，說明物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，物體對外界做功，其內(nèi)能不一定減少，故B錯誤；第二類永動機沒有違反熱力學(xué)第一定律，不能制成是因為它違反了熱力學(xué)第二定律，故C正確；通過做功的方式可以使熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱制冷時熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，故D錯誤．三、能源與能量耗散導(dǎo)學(xué)探究(1)流動的水帶動水磨做功，由于磨盤和糧食之間的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到周圍的環(huán)境中，我們沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用．可見，內(nèi)能與機械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？(2)如圖2所示是兩幅宣傳節(jié)約能源的圖片．請問：既然能量是守恒的，我們?yōu)槭裁催€要節(jié)約能源？圖2〖答案〗(1)內(nèi)能．(2)能量是守恒的，但能量耗散卻導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，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)的能量．知識深化能量與能源的區(qū)別1．能量是守恒的，既不會增加也不會減少．2．能源是能夠提供可利用能量的物質(zhì)．3．能量耗散，能量總量不變，但能量品質(zhì)會下降即能源減少，故我們要節(jié)約能源．(2020·啟東中學(xué)高一期中)全球受“新冠”疫情的影響，能源市場需求減少，國際原油價格一路走低．下列關(guān)于能量和能源說法正確的是()A．由于自然界的能量守恒，所以不需要節(jié)約能源B．在利用能源的過程中，能量在數(shù)量上并未減少C．能量耗散說明能量在轉(zhuǎn)化過程中沒有方向性D．人類在不斷地開發(fā)和利用新能源，所以能量可以被創(chuàng)造〖答案〗B〖解析〗根據(jù)能量守恒定律可知，能量不會被創(chuàng)造，也不會憑空消失，B正確，D錯誤；由于能量傳遞具有方向性，能量耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)降低，所以必須節(jié)約能源，A、C錯誤．1．(對熱力學(xué)第二定律的理解)(2020·上海市金山中學(xué)高二期末)關(guān)于自然過程中的方向性，下列說法正確的是()A．摩擦生熱的過程是可逆的B．凡是符合能量守恒的過程一般都是可逆的C．實際的宏觀過程都具有“單向性”或“不可逆性”D．空調(diào)機既能制冷又能制熱，說明熱傳遞不存在方向性〖答案〗C〖解析〗摩擦生熱的過程是不可逆的，故A錯誤．能量守恒具有單向性，一般是不可逆，故B錯誤；實際的宏觀過程都具有“單向性”或“不可逆性”，故C正確；空調(diào)機既能制冷又能制熱，并不能說明熱傳遞不存在方向性，而是在相反的過程中，要引起其他方面的變化，故D錯誤．2．(對熱力學(xué)第二定律的理解)(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是()A．熱機中燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能B．電能不可能全部變成內(nèi)能C．在火力發(fā)電機中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化成電能D．在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體〖答案〗ACD〖解析〗與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都具有方向性，無論采用什么設(shè)備和手段進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，總是遵循“在沒有引起其他變化的情況下，機械能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能”，故A正確；由焦耳定律可知，電能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故B錯誤；火力發(fā)電機發(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→機械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃?xì)獾膬?nèi)能不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故C正確；熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行，必須借助外界的幫助，故D正確．3．(熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律)關(guān)于兩類永動機和熱力學(xué)兩大定律，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(xué)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(xué)第二定律C．由熱力學(xué)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(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〖答案〗D〖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(xué)第二定律，A、B錯誤；由熱力學(xué)第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯誤；由熱力學(xué)第二定律可知選項D中的現(xiàn)象