第4節(jié)　熱力學第二定律 教學課件

物理第三章熱力學定律第4節(jié)熱力學第二定律01必備知識素養(yǎng)奠基02關鍵能力素養(yǎng)形成03分層演練素養(yǎng)達標[學習目標]1．知道傳熱、擴散現(xiàn)象、機械能與內能的轉化等都具有方向性。具有方向性的過程是不可逆的。2．理解熱力學第二定律的兩種表述。3．學會用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移及方向性問題。

知識點1熱力學第二定律1．熱傳導的方向性(1)熱量可以自發(fā)地由______物體傳到______物體。(2)熱量不能自發(fā)地由______物體傳到______物體。(3)熱傳導過程是有_________的。高溫低溫低溫高溫方向性2．熱力學第二定律的克勞修斯表述熱量不能自發(fā)地從______物體傳到______物體。即熱傳導的過程具有_________。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_____________，而不產(chǎn)生其他影響。(該表述闡述了機械能與內能轉化的方向性)低溫高溫方向性完全變成功[判一判]1．(1)熱量不能由低溫物體傳給高溫物體。(

)(2)科技發(fā)達后，熱機的效率可以達到100%。(

)(3)機械能可以全部轉化為內能，而內能不能自發(fā)地全部轉化為機械能。(

)××√知識點2能源是有限的1．能量耗散能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉移和轉化卻具有方向性。在各種各樣的活動中，其他形式的能最終都轉化成內能流散到_______________，再也不能自動聚集起來驅動機械做功了，這種轉化過程叫作能量耗散。周圍環(huán)境中2．品質降低能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式叫品質降低。能量在利用過程中，總是由高品質的能量最終轉化為低品質的能量。能源的使用過程中雖然能的總量____________，但能量的______下降了。保持守恒品質[判一判]2．(1)能量耗散不遵循能量守恒定律。(

)(2)能量耗散會導致能量品質的降低。(

)(3)為了可持續(xù)發(fā)展，必須節(jié)約能源。(

)×√√1．(對熱力學第二定律的理解)關于熱力學定律，下列說法中正確的是(

)A．在一定條件下物體的溫度可以降到絕對零度B．第二類永動機和第一類永動機一樣，都違背了能量守恒定律C．熱機的效率可以達到100%D．在熱傳遞中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體√解析：絕對零度是一切低溫物體的極限，永遠無法達到，A錯誤；第一類永動機違反能量守恒定律，第二類永動機不違反能量守恒定律，但違反熱力學第二定律，B錯誤；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，熱機效率無法達到100%，C錯誤；熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，但是不可能自發(fā)地從低溫傳到高溫物體，D正確。2．(能量耗散和品質降低)熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。所謂能量耗散是指在能量轉化的過程中無法把散失的能量重新收集、加以利用。下列關于能量耗散的說法正確的是(

)A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學第二定律C．能量耗散過程中能量不守恒D．能量耗散是從能量轉化的角度，反映出自然界中的宏觀過程具有方向性√解析：能量耗散是指能量在轉化和轉移的過程中擴散到周圍環(huán)境中無法再收集起來，其滿足能量守恒定律，也符合熱力學第二定律，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質上降低了；能量耗散反映了涉及熱運動的宏觀過程都具有方向性，所以A、B、C錯誤，D正確。3．(熱力學定律和能量耗散)關于能量的轉化，下列說法中正確的是(

)A．摩擦生熱的過程在任何情況下都是不可逆的B．空調既能制熱又能制冷說明熱傳遞不存在方向性C．永動機不存在的原因是能量在某些特殊情況下是不守恒的D．由于能量的轉化過程符合能量守恒定律，所以不會發(fā)生能源危機√解析：根據(jù)熱力學第二定律可知，摩擦生熱的過程在任何情況下都是不可逆的，A正確；空調既能制熱又能制冷，但是消耗電能，說明在不自發(fā)地條件下熱傳遞方向可以逆向，不違背熱力學第二定律，B錯誤；永動機不存在的原因是違背了能量守恒定律，C錯誤；由于能量轉移或轉化是有方向性的，雖然能量守恒，但是可利用的品質降低了，還會產(chǎn)生能源危機，D錯誤。探究一對熱力學第二定律的理解1．自然過程的方向性(1)熱傳導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)機械能和內能的轉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，使容器內變?yōu)檎婵铡?．在熱力學第二定律的表述中，“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”：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”：發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。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(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，以及熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫以外，過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，無論用任何辦法都不可能加以消除。特別提醒：(1)熱力學第二定律的兩種表述是等價的。(2)熱力學第二定律的實質：熱力學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，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。3．兩類永動機的比較第一類永動機第二類永動機設計要求不消耗任何能量，可以不斷地做功(或只給予很少的能量啟動后，可以永遠運動下去)將內能全部轉化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱庫，實現(xiàn)內能向機械能的轉化)不可能制成的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學第二定律【例1】

(多選)下列說法正確的是(

)A．不可能讓熱量由低溫物體傳遞給高溫物體而不引起其他任何變化B．從單一熱源吸取熱量使之全部變成有用的機械功是不可能的C．熵值越大，表明系統(tǒng)內分子運動越無序D．熱量是熱傳遞過程中，內能大的物體向內能小的物體轉移內能多少的量度√√[解析]

根據(jù)熱力學第二定律可知，不可能讓熱量由低溫物體傳遞給高溫物體而不引起其他任何變化，故A正確；根據(jù)熱力學第二定律可知，在沒有外界影響下，從單一熱源吸取熱量使之全部變成有用的機械功是不可能的，但如果存在外在影響是可以實現(xiàn)的，故B錯誤；根據(jù)熵增加原理可知，熵值越大，表明系統(tǒng)內分子運動越無序，故C正確；熱量是熱傳遞過程中，溫度高的物體向溫度低的物體轉移內能多少的量度，故D錯誤?！纠?】如圖所示，絕熱的汽缸被一個絕熱的活塞分成左、右兩部分，活塞質量不計，活塞用銷釘鎖住，活塞與汽缸之間沒有摩擦，汽缸左邊裝有一定質量的理想氣體，右邊為真空，現(xiàn)在拔去銷釘，抽去活塞，讓氣體向右邊的真空做絕熱自由膨脹，下列說法正確的是(

)A．氣體在向真空膨脹的過程中對外做功，氣體內能減少B．氣體在向真空膨脹的過程中，分子平均動能變小C．氣體在向真空膨脹的過程中，氣體內能增加D．若無外界的干預，氣體分子不可能自發(fā)地退回到左邊，使右邊重新成為真空√[解析]

氣體在向右邊的真空膨脹的過程中沒有力的作用，所以氣體不做功，即W＝0，絕熱過程，Q＝0，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU＝0，所以氣體內能不變，溫度不變，分子的平均動能不變，故A、B、C錯誤；無外界的干預，根據(jù)熱力學第二定律可知，涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程具有方向性，因此，氣體分子不可能自發(fā)地退回到左邊，使右邊重新成為真空，故D正確。[針對訓練1]根據(jù)熱力學定律，下列說法正確的是(

)A．第二類永動機違反能量守恒定律，因此不可能制成B．效率為100%的熱機是不可能制成的C．電冰箱的工作過程表明，熱量可以自發(fā)地從低溫物體向高溫物體傳遞D．從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣κ翘岣邫C械效率的常用手段√解析：第二類永動機違反了熱力學第二定律，因此不可能制成，故A錯誤；效率為100%的熱機是不可能制成的，故B正確；電冰箱通過消耗電能才能把熱量從低溫的箱體內轉移到溫度較高的箱體外，故C錯誤；從單一熱源吸收熱量，不可能使之完全變?yōu)橛杏霉?，故D錯誤。[針對訓練2]如圖所示的汽缸內盛有定量的理想氣體，汽缸壁是導熱的,缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸是光滑的,但不漏氣?，F(xiàn)將活塞桿與外界連接，使其緩慢地向右移動,這樣氣體將等溫膨脹并通過桿對外做功。若已知理想氣體的內能只與溫度有關,則下列說法正確的是(

)A．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，因此此過程違反熱力學第二定律B．氣體從單一熱源吸熱，但并未全用來對外做功，所以此過程不違反熱力學第二定律C．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但此過程不違反熱力學第二定律D．以上三種說法都不對√解析：熱力學第二定律從機械能與內能轉化過程的方向性來描述是：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。本題中如果沒有外界的幫助，比如外力拉動活塞桿使活塞向右移動，使氣體膨脹對外做功，導致氣體溫度略微降低，是不可能從外界吸收熱量的,即這一過程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但引起了其他變化，所以此過程不違反熱力學第二定律。探究二能量耗散和品質降低1．能量耗散自然界中集中度較高(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，就成為更加分散也是無序度更大的能量，沒有辦法把這些分散的無序度更大的內能重新變成有序度較高的能量加以利用，這樣的現(xiàn)象叫作能量耗散。各種形式的能量向內能的轉化，是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)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?！纠?】

(多選)關于能源的開發(fā)和利用，下列觀點正確的是(

)A．無節(jié)制地利用能源，是一種盲目的短期行為B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的C．開發(fā)和利用能源的同時，必須加強對環(huán)境的保護D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機的主要途徑√√√[解析]

能源是有限的，必須合理利用能源，A正確；盡管能量守恒，但使用過程中會有能量耗散及品質降低，B錯誤；能源的開發(fā)利用推動人類進步，但同時會破壞人類生存的環(huán)境，所以必須加強對環(huán)境的保護，C正確；開發(fā)新能源、清潔能源可以緩解常規(guī)能源的不足，D正確?！纠?】(2022·湖北安陸一中高二期中)能源問題是當今世界最為重要的問題之一，熱力學的研究對能源利用率的提高起到了關鍵作用，為熱機的設計與制造提供了足夠的理論支持。關于熱機和熱力學定律，以下表述正確的是(

)A．將電冰箱的門打開可以使房間里的溫度降低B．因為能量守恒，所以隨著科技的發(fā)展能量可以循環(huán)利用，從而解決能源危機問題C．第二類永動機并沒有違背能量守恒定律，但熱機的效率不可能達到100%D．熱力學第二定律可表述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”√[解析]

打開冰箱門不僅不能使房間的溫度下降，還會使房間溫度上升。因為電冰箱的制冷機工作后，冰箱冷凍室內的蒸發(fā)器溫度降低，吸收空氣的熱量，與此同時，冰箱內部的冷凝器溫度升高，將熱量傳給空氣，室內空氣的熱量只是被冰箱吸收后又被放出，所以室溫不會降低。反而，電動機工作時，會將一部分電能轉化為內能，故室內溫度會有少許升高，故A錯誤；雖然能量守恒，但由于使用后能量的品質降低，可利用的能源會越來越少，所以能源危機仍然存在，我們在日常的生產(chǎn)生活中要養(yǎng)成節(jié)約能源的習慣，故B錯誤；第二類永動機并沒有違背能量守恒定律，但熱機的效率不可能達到100%，故C正確；熱力學第二定律可表述為“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錯誤。[針對訓練3]

(多選)下列關于能量耗散的說法，正確的是(

)A．能量耗散使能的總量減少，違背了能量守恒定律B．能量耗散是指散失在環(huán)境中的內