人教版高中物理選擇性必修第三冊(cè)第三章4熱力學(xué)第二定律課件

4．熱力學(xué)第二定律第三章

熱力學(xué)定律整體感知·自我新知初探[學(xué)習(xí)任務(wù)]

任務(wù)1．了解傳熱、擴(kuò)散現(xiàn)象、機(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等過程都具有方向性。知道具有方向性的過程是不可逆的。任務(wù)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(dòng)機(jī)不能制造成功的原因。任務(wù)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)移反方向性問題，并能解決一些實(shí)際問題。任務(wù)4．了解能量與能源的區(qū)別以及能源的有限性。[問題初探]

問題1．什么叫可逆過程？什么叫不可逆過程？問題2．熱現(xiàn)象的方向性含義是什么？問題3．既然能量守恒，為什么還要節(jié)約能源？問題4．氣體向真空的自由膨脹可逆嗎？[思維導(dǎo)圖]探究重構(gòu)·關(guān)鍵能力達(dá)成[鏈接教材]

一滴黑色顏料滴進(jìn)一杯清水中擴(kuò)散，整杯水將均勻地變黑。從系統(tǒng)的角度來看，擴(kuò)散之前是一種狀態(tài)，擴(kuò)散后是另一種狀態(tài)。那么，水中擴(kuò)散后的顏料能否自發(fā)地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？這說明擴(kuò)散現(xiàn)象有什么特點(diǎn)？知識(shí)點(diǎn)一熱力學(xué)第二定律提示：不能；擴(kuò)散現(xiàn)象具有方向性，是不可逆的。1．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述(1)傳熱的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是________。(2)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。即傳熱的過程具有______。不可逆的方向性2．熱力學(xué)第二定律的開爾文表述(1)熱機(jī)①熱機(jī)的工作分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的____；第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外做功，把自己的內(nèi)能變成______。②熱機(jī)用于做功的熱量一定____它從高溫?zé)釒煳盏臒崃?，即W＜Q。(2)開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之__________，而不產(chǎn)生其他影響。該表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的______。(3)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是____的。內(nèi)能機(jī)械能小于完全變成功方向性等價(jià)覆水難收；破鏡難圓；水從高山流到河谷，不可能自己再返回高山；一滴墨水滴入一杯清水，會(huì)均勻地?cái)U(kuò)散開來，不可能再自動(dòng)地凝成一滴墨水……問題1．這些現(xiàn)象說明了什么道理？問題2．熱量能否從溫度低的物體傳遞給溫度高的物體？提示：1．自然界的與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程不可能自發(fā)地逆向進(jìn)行。2．能，但是需要第三方的介入。1．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解(1)克勞修斯表述中“自發(fā)”的含義：當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，不需要任何第三者的介入，不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生任何影響，熱量就能從高溫物體傳到低溫物體?！白园l(fā)”的方向是從高溫物體指向低溫物體。(2)開爾文表述中“不可能從單一熱庫吸收熱量”的含義：不僅要從一個(gè)熱庫吸熱，而且一定會(huì)向另一個(gè)熱庫放熱。即熱機(jī)工作時(shí)須有高溫?zé)釒旌偷蜏責(zé)釒臁?3)開爾文表述中“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(duì)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。2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)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。3．熱力學(xué)過程方向性實(shí)例【典例1】

(對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解)(多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是(

)A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會(huì)自動(dòng)變得更熱B．蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能C．桶中混濁的泥水在靜置一段時(shí)間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動(dòng)分離D．電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體√√CD

[一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會(huì)自動(dòng)變得更熱，蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，都違背了熱力學(xué)第二定律，故不能發(fā)生，A、B錯(cuò)誤；泥、水分離是由于重力作用，能夠發(fā)生，C正確；由熱力學(xué)第二定律可知，電冰箱通電后把熱量由低溫物體傳到高溫物體是可以通過消耗電能的方式實(shí)現(xiàn)的，故能夠發(fā)生，D正確。]【典例2】

(對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解)如圖所示，兩種不同的金屬絲組成一個(gè)回路，接觸頭1置于熱水杯中，接觸頭2置于冷水杯中，此時(shí)回路中電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是溫差電現(xiàn)象。假設(shè)此過程電流做功為W，接觸頭1從熱水中吸收的熱量為Q1，冷水從接觸頭2吸收的熱量為Q2，根據(jù)熱力學(xué)第二定律可得(

)A．Q1＝W

B．Q1＞W(wǎng)C．Q1＜Q2

D．Q1＋Q2＝W√B

[根據(jù)熱力學(xué)第二定律，不可能從單一熱源吸收熱量使之全部用來做功，而不產(chǎn)生其他影響，所以從熱水中吸收的熱量Q1應(yīng)該大于電流做的功W，即Q1>W，A錯(cuò)誤，B正確；根據(jù)能量守恒定律和熱力學(xué)第二定律，從熱水中吸收的熱量轉(zhuǎn)化成了兩部分，一部分是電能W，另一部分是冷水吸收的熱量Q2，即Q1＝Q2＋W，C、D錯(cuò)誤。]規(guī)律方法

應(yīng)用熱力學(xué)第二定律解決問題時(shí)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(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(huì)對(duì)其他物體產(chǎn)生影響或不需要借助其他物體提供能量等。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體或從單一熱庫吸收熱量全部用來做功，必須通過第三者的幫助，這里的幫助是指做功或提供能量等方式，否則是不可能實(shí)現(xiàn)的?！窘逃谩溥x例題】地球上有很多的海水，它的總質(zhì)量約為1.4×1018t，如果這些海水的溫度降低0.1

℃，將要放出5.8×1023J的熱量，有人曾設(shè)想利用海水放出的熱量使它完全變成機(jī)械能來解決能源危機(jī)，但這種機(jī)器是不可能制成的，其原因是(

)A．內(nèi)能不可以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能B．內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能不滿足熱力學(xué)第一定律C．只從單一熱源吸收熱量并完全轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的機(jī)器不滿足熱力學(xué)第二定律D．上述三種原因都不正確√C

[內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，如熱機(jī)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的過程滿足熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；熱力學(xué)第二定律告訴我們：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，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。]1．第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)的比較知識(shí)點(diǎn)二熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的比較

第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)特點(diǎn)不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律2．熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的區(qū)別與聯(lián)系

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)，否定了憑空產(chǎn)生能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動(dòng)機(jī)熱力學(xué)第二定律是關(guān)于在有限空間和時(shí)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(yàn)總結(jié)，從而否定了第二類永動(dòng)機(jī)聯(lián)系兩定律都是熱力學(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(dú)立，又相互補(bǔ)充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)【典例3】關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)兩大定律，下列說法正確的是(

)A．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律B．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(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(shí)做功和熱傳遞一定會(huì)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√D

[第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第一定律可知，W≠0，Q≠0時(shí)ΔU＝W＋Q可以等于零，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但必然引起其他變化，選項(xiàng)D正確。]【典例4】

(多選)關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列說法正確的是(

)A．一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷一緩慢的絕熱膨脹過程，氣體的內(nèi)能減少B．氣體向真空的自由膨脹是不可逆的C．熱力學(xué)第一定律也可表述為第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成D．熱力學(xué)第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”√√√ABC

[一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷一緩慢的絕熱膨脹過程，則Q＝0，W<0，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知，氣體的內(nèi)能減少，故A正確；熱力學(xué)第二定律表明，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，是不可逆的，故氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，故B正確；熱力學(xué)第一定律也可表述為第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成，故C正確；熱力學(xué)第二定律可描述為“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”，故D錯(cuò)誤。]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____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(diǎn)，卻再也不能____________驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。3．能源：指具有______的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì)。知識(shí)點(diǎn)三能源是有限的內(nèi)能自動(dòng)聚集起來高品質(zhì)水磨是中國民間用水力帶動(dòng)的石磨。水磨用石頭制成，分上下兩片，呈圓形。流動(dòng)的水帶動(dòng)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(jī)械能轉(zhuǎn)變成了磨盤和糧食等的內(nèi)能。問題1．分析通過什么方式使磨盤和糧食的內(nèi)能增加了？問題2．這些內(nèi)能最終流散到周圍的環(huán)境中，但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(jī)械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？提示：1．做功。2．內(nèi)能品質(zhì)低?！镜淅?】抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)如圖所示，抽水蓄能電站有兩種工作模式，一種為抽水蓄能模式：居民用電低谷時(shí)(如深夜)，電站利用居民電網(wǎng)多余電能把水從下水庫抽到上水庫；另一種為放水發(fā)電模式：居民用電高峰時(shí)，將上水庫中的水放到下水庫進(jìn)行發(fā)電，將產(chǎn)生的電能輸送到居民電網(wǎng)供居民使用。一抽一放起到了均衡電網(wǎng)負(fù)荷的作用。關(guān)于抽水蓄能電站，下列說法正確的是(

)A．抽水蓄能的過程中，能量守恒B．放水發(fā)電的過程中，機(jī)械能守恒C．抽水蓄能電站建成之后，可以使能量增多D．抽水蓄能電站建成之后，就不會(huì)再有能源危機(jī)問題了√A

[抽水蓄能的過程中，總的能量是守恒的，故A正確；放水發(fā)電的過程中，有部分重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，機(jī)械能不守恒，故B錯(cuò)誤；抽水蓄能、放水發(fā)電過程，總的能量保持不變，并不能使能量增多，故C錯(cuò)誤；抽水蓄能電站能夠合理調(diào)節(jié)用電高峰期和低谷期的調(diào)峰問題，但是能量總量并沒有增加，我們?nèi)悦媾R著能源危機(jī)，還需節(jié)約能源，故D錯(cuò)誤。]應(yīng)用遷移·隨堂評(píng)估自測1．下列現(xiàn)象屬于能量耗散的是(

)A．利用水能發(fā)電將水能轉(zhuǎn)化為電能B．電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能C．電流通過電阻絲將電能轉(zhuǎn)化為光能D．火爐把房子烤暖√243題號(hào)1D

[能量耗散是指其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，最終流散在周圍環(huán)境中無法重新收集并加以利用的過程。本題中的電能、光能都可以重新收集并加以利用?；馉t把房子烤暖使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能并流散在周圍的環(huán)境中，難以重新收集并加以利用，是能量耗散，故本題選D。]243題號(hào)12．關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列說法不正確的是(

)A．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`背了熱力學(xué)第一定律B．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C．熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體D．熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%23題號(hào)14√A

[第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`背了熱力學(xué)第二定律，并沒有違背熱力學(xué)第一定律，故A錯(cuò)誤；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，即不可逆，故B正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，但不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，故C正確；熱力學(xué)第二定律可表述為不可能從單一熱源吸收熱量，使之全部變成功而不產(chǎn)生其他影響，所以熱機(jī)效率不可能達(dá)到100%，故D正確。]23題號(hào)143．將一件裙子放進(jìn)死海，3年后成了一件精美的藝術(shù)品。其形成原因是海水中的鹽，不斷在衣服表面結(jié)晶所產(chǎn)生的。根據(jù)這一現(xiàn)象下列說法不正確的是(

)A．結(jié)晶過程看似是自發(fā)的，其實(shí)要受到環(huán)境的影響B(tài)．結(jié)晶過程是無序向有序轉(zhuǎn)變的過程C．鹽在溶解的過程中熵是增加的D．這件藝術(shù)品被精心保存在充滿惰性氣體的密閉櫥窗里，可視為孤立系統(tǒng)，經(jīng)過很長時(shí)間后，該藝術(shù)品的熵可能減小23題號(hào)41√D

[結(jié)晶過程不是自發(fā)的，通常是由于水溫降低或水的蒸發(fā)引起，受到環(huán)境的影響，是由無序向有序的轉(zhuǎn)變過程，故A、B正確；鹽在溶解是固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，是自發(fā)過程，自發(fā)過程是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行，即熵增加，故C正確；孤立系統(tǒng)的熵永不減小，故D錯(cuò)誤。本題選錯(cuò)誤項(xiàng)，故選D。]23題號(hào)414．(2022·廣東卷)利用空調(diào)將熱量從溫度較低的室內(nèi)傳遞到溫度較高的室外環(huán)境，這個(gè)過程________(選填“是”或“不是”)自發(fā)過