2017屆高中物理第三章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四講熱力學(xué)第二定律教案粵教版選修.docx

第四講熱力學(xué)第二定律目標(biāo)定位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(shí)質(zhì).3.了解什么是第二類永動(dòng)機(jī)，知道為什么它不能制成.4.了解熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì).5.了解熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量. 一、熱傳導(dǎo)的方向性1.兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體.這說明：熱傳導(dǎo)過程是有方向性的.2.熱力學(xué)第二定律是一條反映自然界過程進(jìn)行方向和條件的規(guī)律.二、機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性1.機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程具有方向性，即機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是可以自發(fā)進(jìn)行的，內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程，是不能自發(fā)進(jìn)行的，要將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，必然會(huì)引起其他影響.2.第二類永動(dòng)機(jī)(1)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(jī).(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是它違背了熱力學(xué)第二定律.三、熱力學(xué)第二定律的表述1.第一種表述(克勞修斯表述)：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體.(按照熱傳導(dǎo)的方向性來表述的).2.第二種表述(開爾文表述)：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.(按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的)熱力學(xué)第二定律的這兩種表述是等價(jià)的.熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.3.自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然過程都具有方向性.想一想熱傳導(dǎo)的方向性能否簡單理解為“熱量不會(huì)從低溫物體傳給高溫物體”？答案：不能.“自發(fā)地”是指沒有第三者影響，例如空調(diào)、冰箱等制冷機(jī)就是把熱量從低溫物體傳到了高溫物體，但是也產(chǎn)生了其他影響，即外界做了功.四、熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)1.做功是與分子群體的有序運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的，內(nèi)能是和分子的無序運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的，機(jī)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(yùn)動(dòng)朝無序運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)朝有序運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換的過程.2.熱傳導(dǎo)過程是使物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)由比較有序的狀態(tài)向無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程.3.熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程，總是朝著分子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無序性增加的方向進(jìn)行的.五、熵意義：描述物體的無序程度，物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)無序程度越高，物體的熵就越大.解決學(xué)生疑難點(diǎn)_一、宏觀過程的方向性1.熱傳導(dǎo)具有方向性：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，結(jié)果使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高.2.氣體的擴(kuò)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(huì)自發(fā)地分開，成為兩種不同的氣體.3.機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性：物體在水平面上運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)起來.4.氣體向真空膨脹具有方向性：氣體可自發(fā)地向真空容器膨脹，但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出，容器變?yōu)檎婵?5.在整個(gè)自然界中，無論有生命的還是無生命的，所有的宏觀自發(fā)過程都具有單向性，都有一定的方向性，都是一種不可逆過程.例1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.熱傳遞是自發(fā)的雙向的D.氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的答案AD解析如果是自發(fā)地進(jìn)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(jìn)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對，B、C錯(cuò)；氣體向真空中膨脹的過程也是不可逆，具有方向性的，D對.借題發(fā)揮兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)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(gè)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(shí)我們也能實(shí)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，其實(shí)自然界中所有的熱現(xiàn)象都是具有單向性的.二、熱力學(xué)第二定律和熵1.克勞修斯表述是按熱傳導(dǎo)的方向性表述的.熱量可以由低溫物體傳到高溫物體但不能是自發(fā)的，如：冰箱、空調(diào).2.開爾文表述是按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的.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.3.這兩種表述看似毫無聯(lián)系，其實(shí)是等價(jià)的，可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述.4.熱力學(xué)第二定律揭示了自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.5.熵較大的宏觀狀態(tài)就是無序性較大的宏觀狀態(tài)，在自發(fā)過程中熵總是增加的，即向無序性增加的方向進(jìn)行.6.從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：一個(gè)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度更大的方向發(fā)展.例2根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，下列說法中正確的是()A.不可能從單一熱源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(jī)是可以實(shí)現(xiàn)的C.制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳到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(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須借助外部的幫助，即會(huì)引起其他變化，A選項(xiàng)正確、B選項(xiàng)錯(cuò)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)，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤、D選項(xiàng)正確.借題發(fā)揮(1)一切物理過程均遵守能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，但遵守能量守恒的物理過程不一定均能實(shí)現(xiàn).(2)熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵在于“自發(fā)性”和“方向性”.例3下列關(guān)于熵的觀點(diǎn)中正確的是()A.熵越大，系統(tǒng)的無序度越大B.對于一個(gè)不可逆絕熱過程，其熵總不會(huì)增加C.氣體向真空擴(kuò)散時(shí)，熵值減小D.自然過程中熵總是增加的，是因?yàn)橥ㄏ驘o序的渠道要比通向有序的渠道多得多答案AD解析熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度，熵越大，其無序度越大，選項(xiàng)A正確；一個(gè)不可逆絕熱過程，其宏觀狀態(tài)對應(yīng)微觀態(tài)數(shù)目增大，其熵會(huì)增加，不會(huì)減小，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；氣體向真空中擴(kuò)散，無序度增大，熵值增大，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；自然過程中，無序程度較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率大，因而通向無序的渠道多，選項(xiàng)D正確.宏觀過程的方向性1.下列哪個(gè)過程具有方向性()熱傳導(dǎo)過程機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程氣體的擴(kuò)散過程氣體向真空中的膨脹A.B.C.D.答案D解析這四個(gè)過程都是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程，根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性.熱力學(xué)第二定律2.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是()A.電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能B.在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能可能全部變?yōu)殡娔蹸.熱機(jī)中，燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能D.在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體答案CD解析根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮?nèi)能(由焦耳定律可知)，而內(nèi)能不可能全部變成電流的能，而不產(chǎn)生其它影響.機(jī)械能可全部變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部變成機(jī)械能.在熱傳導(dǎo)中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體.3.關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學(xué)規(guī)律，下列說法中正確的是()A.隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并達(dá)到絕對零度，最終實(shí)現(xiàn)熱機(jī)效率100%B.熱量是不可能從低溫物體傳遞給高溫物體的C.第二類永動(dòng)機(jī)遵從能量守恒故能做成D.用活塞壓縮氣缸里的空氣，對空氣做功2.0105J，同時(shí)空氣向外界放出熱量1.5105J，則空氣的內(nèi)能增加了0.5105J答案D解析由熱力學(xué)第二定律知，B、C錯(cuò)；絕對零度不可能達(dá)到，A錯(cuò)；由熱力學(xué)第一定律知D正確.(時(shí)間：60分鐘)題組一宏觀過程的方向性1.關(guān)于熱傳導(dǎo)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答案AC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，但熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體.2.下列說法中正確的是()A.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B.一切不違反能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的物理過程都是可能實(shí)現(xiàn)的C.由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進(jìn)行D.一切物理過程都不可能自發(fā)地進(jìn)行答案AC解析能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程都是具有方向性的，A對；第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但是不能實(shí)現(xiàn)，B錯(cuò)；在熱傳遞的過程中，能量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但其逆過程不可能自發(fā)地進(jìn)行，C對、D錯(cuò).3.以下說法正確的是()A.熱量不僅可以從高溫物體傳到低溫物體，也可自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體B.空調(diào)等設(shè)備就是利用了熱傳導(dǎo)的方向性C.無論采用什么方法，都不可能把熱量從低溫物體傳遞給高溫物體D.熱量能自發(fā)地傳遞的條件是必須存在“溫度差”答案D解析熱傳導(dǎo)具有方向性，熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳到低溫物體，也可以從低溫物體傳到高溫物體，但不能自發(fā)地進(jìn)行，故A錯(cuò)；空調(diào)等可以將熱量由低溫物體傳到高溫物體，但消耗了電能，故B、C錯(cuò).題組二熱力學(xué)第二定律的理解4.關(guān)于熱力學(xué)定律和分子動(dòng)理論，下列說法中正確的是()A.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B.利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機(jī)，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這在原理上是可行的C.在分子力作用范圍內(nèi)，分子力總是隨分子間距離的增大而減小D.溫度升高時(shí)，物體中每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率都將增大答案B解析由熱力學(xué)第二定律可知，A錯(cuò)誤、B正確；由分子間作用力與分子間距的關(guān)系可知，C項(xiàng)錯(cuò)誤；溫度升高時(shí)，物體中分子平均動(dòng)能增大，但并不是每個(gè)分子的動(dòng)能都增大，即并不是每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率都增大，故D項(xiàng)錯(cuò)誤.5.下列有關(guān)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(jī)不斷改進(jìn)，就可以使內(nèi)燃機(jī)的效率達(dá)到100%C.滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)的進(jìn)行D.外界對物體做功，物體的內(nèi)能必然增加答案A解析由熱力學(xué)第二定律的開爾文表述可知，A對；熱機(jī)效率總低于100%，B錯(cuò)；滿足能量守恒的過程未必能自發(fā)進(jìn)行，因?yàn)檫€要看是否滿足熱力學(xué)第二定律，C錯(cuò)；由熱力學(xué)第一定律UWQ可知，W0，U不一定大于0，即內(nèi)能不一定增加，D錯(cuò).6.用兩種不同的金屬絲組成一個(gè)回路，接觸點(diǎn)1插在熱水中，接觸點(diǎn)2插在冷水中，如圖1所示，電流計(jì)指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象.關(guān)于這一現(xiàn)象的正確說法是()圖1A.這一實(shí)驗(yàn)不違背熱力學(xué)第二定律B.在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水溫度降低，冷水溫度升高C.在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能，電能則部分轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能D.在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能，電能則全部轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能答案AB解析自然界中的任何自然現(xiàn)象或過程都不違反熱力學(xué)定律，本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不違反熱力學(xué)第二定律，A正確；整個(gè)過程中能量守恒且熱傳遞有方向性，B正確；在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水中的內(nèi)能除轉(zhuǎn)化為電能外，還升高金屬絲的溫度，內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為電能；電能除轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能外，還升高金屬絲的溫度，電能不能全部轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能，C、D錯(cuò)誤.注意與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀現(xiàn)象的方向性，這是應(yīng)用熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵.7.圖2為電冰箱的工作原理示意圖.壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)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(shí)制冷劑液化，放出熱量到箱體外.下列說法正確的是()圖2A.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?yàn)槠湎牧穗娔蹸.電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第二定律D.電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第二定律答案BC解析熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能量守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱現(xiàn)象，故C正確、D錯(cuò)誤；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，必須借助于其他系統(tǒng)做功，A錯(cuò)誤、B正確.故選B、C.8.下列關(guān)于氣體在真空中的擴(kuò)散規(guī)律的敘述中正確的是()A.氣體分子數(shù)越小，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越小B.氣體分子數(shù)越大，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大C.擴(kuò)散到真空容器中的分子在整個(gè)容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大D.氣體向真空中擴(kuò)散時(shí)，總是向著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行答案CD解析由熱力學(xué)第二定律的微觀解釋“一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大方向進(jìn)行”和熵的概念可知，C、D正確.題組三綜合應(yīng)用9.下列說法中正確的是()A.功可以完全轉(zhuǎn)化為熱量，而熱量不可以完全轉(zhuǎn)化為功B.熱機(jī)必須是具有兩個(gè)熱庫，才能實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化C.熱機(jī)的效率不可能大于1，但可能等于1D.熱機(jī)的效率必定小于1答案D解析開爾文表述沒有排除熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功，但必然要產(chǎn)生其他變化，比如氣體等溫膨脹，氣體內(nèi)能完全轉(zhuǎn)化為功，但氣體體積增大了，A錯(cuò)誤；開爾文表述指出，熱機(jī)不可能只有單一熱庫，但未必就是兩個(gè)熱庫，可以具有兩個(gè)以上熱庫，B錯(cuò)誤；由可知，只要Q20，1，如果Q20，則低溫?zé)釒觳淮嬖?，違背了開爾文表述，故C錯(cuò)誤、D正確.10.用隔板將一絕熱容器隔成A和B兩部分，A中盛有一定質(zhì)量的理想氣體，B為真空(如圖3甲所示)，現(xiàn)把隔板抽去，A中的氣體自動(dòng)充滿整個(gè)容器(如圖乙所示)，這個(gè)過程稱為氣體的自由膨脹，下列說法正確的是()圖3A.自由膨脹過程中，氣體分子只做定向運(yùn)動(dòng)B.自由膨脹前后，氣體的壓強(qiáng)不變C.