新教材同步系列2024春高中物理第三章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律課件新人教版選擇性必修第三冊(cè)

第三章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)法與考法1．理解熱力學(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)不可能制成的原因(重點(diǎn))2．學(xué)會(huì)用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問(wèn)題(重點(diǎn))3．學(xué)會(huì)運(yùn)用熱力學(xué)第二定律解決一些實(shí)際問(wèn)題(難點(diǎn))學(xué)法：①通過(guò)自然現(xiàn)象實(shí)例得出自然過(guò)程具有方向性，繼而分析熱量傳遞的方向性．②通過(guò)小組合作討論“第二類永動(dòng)機(jī)”不可能實(shí)現(xiàn)的原因考法：①對(duì)自然過(guò)程具有方向性理解的考查．②對(duì)熱力學(xué)第二定律的兩種表述實(shí)質(zhì)及其關(guān)系的理解和考查．③考查熱力學(xué)第二定律在實(shí)際中的應(yīng)用知識(shí)導(dǎo)圖

課前?自主預(yù)習(xí)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述1．熱傳導(dǎo)的方向性(1)熱量可以自發(fā)地由________物體傳給________物體．(2)熱量不能自發(fā)地由________物體傳給________物體．(3)熱傳導(dǎo)過(guò)程是有________的．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________物體傳到________物體．即熱傳導(dǎo)的過(guò)程具有_________．高溫低溫低溫高溫方向性低溫高溫方向性熱量能自發(fā)從高溫物體傳遞到低溫物體，也能從低溫物體傳遞到高溫物體嗎？【答案】熱量能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，可以不產(chǎn)生其他影響；也能從低溫物體傳遞到高溫物體，但需要一定的條件．

(多選)關(guān)于熱傳導(dǎo)的方向性．下列說(shuō)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．熱量一定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遞給高溫物體；而在自發(fā)的條件下，熱量只能從高溫物體傳給低溫物體，故A、C正確．熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述1．熱機(jī)(1)熱機(jī)工作的兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的__________變成工作物質(zhì)的________．第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外________，把自己的內(nèi)能變成__________．(2)熱機(jī)的效率：熱機(jī)輸出的__________與燃料燃燒產(chǎn)生的________的比值．用公式表示η＝______．化學(xué)能內(nèi)能做功機(jī)械能機(jī)械功W

熱量Q

2．開(kāi)爾文表述不可能從單一熱庫(kù)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)化的方向性)3．熱力學(xué)第二定律的理解(1)一切宏觀自然過(guò)程的進(jìn)行都具有__________．(2)氣體向真空的自由膨脹是__________的．(3)第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的．(4)機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能．完全變成功方向性不可逆4．第二類永動(dòng)機(jī)(1)定義：只從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因：雖然第二類永動(dòng)機(jī)不違背________________，但大量的事實(shí)證明，在任何情況下，熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱庫(kù)，熱機(jī)要不斷地把吸收的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)釒?kù)．能量守恒定律科技發(fā)達(dá)后，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%嗎？【答案】凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性，無(wú)論采用任何設(shè)備和手段進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%．

(多選)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．不可能從單一熱源吸熱并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化B．沒(méi)有冷凝器，只有單一的熱源，將從單一熱源吸收的熱量全部用來(lái)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?xì)獾膬?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(guò)程的方向性，A正確；機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須有外界的幫助，故B錯(cuò)誤；冰箱向外傳遞熱量時(shí)消耗了電能，故C錯(cuò)誤；火力發(fā)電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程為內(nèi)能→機(jī)械能→電能，因?yàn)閮?nèi)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)對(duì)外放出熱量，故燃?xì)獾膬?nèi)能必然不會(huì)全部變?yōu)殡娔埽蔇正確．課堂?重難探究－對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解1．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解在熱力學(xué)第二定律的表述中，正確地理解“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的確切含義是理解熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵所在．(1)“自發(fā)地”過(guò)程就是不受外來(lái)干擾進(jìn)行的自然過(guò)程，如重物下落、植物的開(kāi)花結(jié)果等都是自然界客觀存在的一些過(guò)程，它不受外界干擾．在熱傳遞過(guò)程中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體．要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“外界的影響或外界的幫助”，就是要有外界對(duì)其做功才能完成．電冰箱就是一例，它是靠電流做功的幫助把熱量從低溫處“搬”到高溫處的．(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)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)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過(guò)程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性．3．熱力學(xué)第二定律的兩種表述的等價(jià)性兩種表述是等價(jià)的，即一個(gè)說(shuō)法是正確的，另一個(gè)說(shuō)法也必然是正確的；如一個(gè)說(shuō)法是錯(cuò)誤的，另一個(gè)說(shuō)法必然是不成立的．對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解例1下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說(shuō)法，正確的是 (

)A．所有符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能發(fā)生B．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的C．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不產(chǎn)生其他影響的情況下，內(nèi)能也可以全部用來(lái)做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能D．氣體向真空自由膨脹的自然過(guò)程是可逆的【答案】B【解析】符合能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律的宏觀過(guò)程不能發(fā)生，A錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知熱現(xiàn)象具有方向性，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的，B正確；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不產(chǎn)生其他影響的情況下，內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知熱現(xiàn)象具有方向性，氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，D錯(cuò)誤．變式1下列宏觀過(guò)程不能用熱力學(xué)第二定律解釋的是 (

)A．大米和小米混合后小米能自發(fā)地填充到大米空隙中而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間大米、小米不會(huì)自動(dòng)分開(kāi)B．將一滴紅墨水滴入一杯清水中，會(huì)均勻擴(kuò)散到整杯水中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，墨水和清水不會(huì)自動(dòng)分開(kāi)C．冬季的夜晚，放在室外的物體隨氣溫的降低，內(nèi)能不會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而動(dòng)起來(lái)D．隨著節(jié)能減排措施的不斷完善，最終也不會(huì)使汽車熱機(jī)的效率達(dá)到100%【答案】A【解析】大米和小米混合后小米能自發(fā)地填充到大米空隙中，這種現(xiàn)象與溫度無(wú)關(guān)，不是熱現(xiàn)象，不能用熱力學(xué)第二定律解釋，A符合題意；將一滴紅墨水滴入一杯清水中，會(huì)均勻擴(kuò)散到整杯水中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，墨水和清水不會(huì)自動(dòng)分開(kāi)，這種現(xiàn)象與溫度有關(guān)，溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越激烈，擴(kuò)散越快，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，墨水和清水不會(huì)自動(dòng)分開(kāi)，B不符合題意；冬季的夜晚，放在室外的物體隨氣溫的降低，物體的內(nèi)能減少，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，內(nèi)能不會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而動(dòng)起來(lái)，C不符合題意；隨著節(jié)能減排措施的不斷完善，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，最終也不會(huì)使汽車熱機(jī)的效率達(dá)到100%，D不符合題意．理解熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，即自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性．理解的關(guān)鍵在于“自發(fā)”和“不引起其他變化”．－對(duì)第二類永動(dòng)機(jī)的理解1．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(kù)”“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(guò)程中不會(huì)對(duì)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(guò)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．(3)“單一熱庫(kù)”：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(jī)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(duì)外做功．據(jù)報(bào)道，有些國(guó)家已在研究利用海水上下溫度不同來(lái)發(fā)電．(4)“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)從單一熱庫(kù)吸收熱量對(duì)外做功，以及熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)過(guò)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．2．熱力學(xué)第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過(guò)程的進(jìn)行都具有方向性．(2)氣體向真空的自由膨脹是不可逆的．(3)第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的．3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較永動(dòng)機(jī)第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動(dòng)后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個(gè)熱源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)不可能的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學(xué)第二定律對(duì)第二類永動(dòng)機(jī)的理解例2

(多選)關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī)，下列說(shuō)法正確的是 (

)A．沒(méi)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(lái)做功，而不引起其他變化的熱機(jī)叫作第二類永動(dòng)機(jī)B．第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化【答案】AD【解析】根據(jù)第二類永動(dòng)機(jī)的定義可知A正確；第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但是違反熱力學(xué)第二定律，B錯(cuò)誤；內(nèi)能在引起其他變化時(shí)可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，C錯(cuò)誤，D正確．變式2

(2023年蘇州階段檢測(cè))根據(jù)你學(xué)過(guò)的熱學(xué)中的有關(guān)知識(shí)，判斷下列說(shuō)法正確的是

(

)A．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來(lái)做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能B．第一類永動(dòng)機(jī)違背熱力學(xué)第一定律，第二類永動(dòng)機(jī)違背熱力學(xué)第二定律，都不可以制造出來(lái)C．凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性，在傳熱中，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D．隨著科技不斷進(jìn)步，熱機(jī)的效率能達(dá)到100%【答案】B【解析】機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以用來(lái)做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，但后者會(huì)引起其他變化，且不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，因?yàn)槿魏挝矬w內(nèi)能都不會(huì)為0，A錯(cuò)誤；第一類永動(dòng)機(jī)違背熱力學(xué)第一定律，第二類永動(dòng)機(jī)違背熱力學(xué)第二定律，都不可以制造出來(lái)，B正確；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(guò)程都具有方向性，在傳熱中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，但在一定條件下也能從低溫物體傳遞給高溫物體，C錯(cuò)誤；盡管科技不斷進(jìn)步，但熱機(jī)的效率也不能達(dá)到100%，D錯(cuò)誤．1．熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的一種表述形式，是從能的角度揭示不同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的可能性．告誡人們：第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成．2．熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過(guò)程的方向性．如機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化，進(jìn)一步揭示了各種有關(guān)熱的物理過(guò)程都具有方向性．告誡人們：第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成．小練?隨堂鞏固1．關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列說(shuō)法正確的是 (

)A．熱力學(xué)第二定律是通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)定律B．熱力學(xué)第二定律是通過(guò)大量自然現(xiàn)象的不可逆性總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)定律C．熱力學(xué)第二定律是物理學(xué)家由理論推導(dǎo)得出來(lái)的結(jié)果D．由于熱力學(xué)第二定律沒(méi)有理論和實(shí)驗(yàn)的依據(jù)，因此沒(méi)有實(shí)際意義【答案】B【解析】熱力學(xué)第二定律是物理學(xué)家通過(guò)對(duì)大量自然現(xiàn)象的分析，又總結(jié)了生產(chǎn)和生活經(jīng)驗(yàn)得到的結(jié)論，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律，它并不能通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)來(lái)證明，但它符合客觀事實(shí)，因此是正確的，它揭示了宏觀自然過(guò)程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，對(duì)我們認(rèn)識(shí)自然和利用自然有著重要的指導(dǎo)意義．2．關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是 (

)A．在一定條件下物體的溫度可以降到0KB．物體從單一熱庫(kù)吸收的熱量可全部用于做功C．吸收了熱量的物體，其內(nèi)能一定增加D．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高【答案】B【解析】絕對(duì)零度只能無(wú)限趨近，永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到，A錯(cuò)誤；物體從單一熱庫(kù)吸收的熱量可以全部用來(lái)對(duì)外做功，只不過(guò)會(huì)引起其他變化，B正確；由熱力學(xué)第一定律可知，內(nèi)能的變化決定于做功和熱傳遞兩個(gè)方面，所以吸收了熱量的物體，其內(nèi)能不一定增加，C、D錯(cuò)誤．3．下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．電動(dòng)機(jī)是把電能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置B．熱機(jī)是將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置C．隨著技術(shù)不斷發(fā)展，可以把內(nèi)燃機(jī)得到的全部?jī)?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．雖然不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，但不可能將已轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的能量全部收集起來(lái)加以完全利用【答案】D【解析】由于電阻的存在，電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)時(shí)一定發(fā)熱，電能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，A錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，熱機(jī)不可能將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)說(shuō)法違背熱力學(xué)第二定律，因此錯(cuò)誤；由于能量耗散，能源的可利用率降低，D正確．4．(多選)采用渦輪增壓技術(shù)可提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)效率．將渦輪增壓簡(jiǎn)化為以下兩個(gè)過(guò)程，一定質(zhì)量的理想氣體首先經(jīng)過(guò)絕熱過(guò)程被壓縮，然后經(jīng)過(guò)等壓過(guò)程回到初始溫度，則

(

)A．絕熱過(guò)程中，氣體分子平均動(dòng)能增加B．絕熱過(guò)程中，外界對(duì)氣體做負(fù)功C．等壓過(guò)程中，外界對(duì)氣體做正功D．等壓過(guò)程中，氣體內(nèi)能不變【答案】AC5．(2023年梅州聯(lián)考)在黨的二十大會(huì)議中要求堅(jiān)定實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，向創(chuàng)新要?jiǎng)恿Γ畨嚎s空氣儲(chǔ)能(CAES)是一種利用壓縮空氣來(lái)儲(chǔ)存能量的新型儲(chǔ)能技術(shù)，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能方式是壓縮空氣并將產(chǎn)生的熱能儲(chǔ)存在各種介質(zhì)當(dāng)中，比如混凝土