2024-2025學(xué)年新教材高中物理第三章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律學(xué)案新人教版選擇性必修3

PAGE9-熱力學(xué)其次定律必備學(xué)問(wèn)·素養(yǎng)奠基一、熱力學(xué)其次定律的克勞修斯表述1.熱傳導(dǎo)的方向性:一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不行逆的。2.熱力學(xué)其次定律的克勞修斯表述:德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出:熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。熱力學(xué)其次定律的克勞修斯表述,闡述的是傳熱的方向性。二、熱力學(xué)其次定律的開(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,把燃料中的化學(xué)能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能。其次個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外做功,把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能。(2)熱機(jī)用于做功的熱量肯定小于它從高溫?zé)釒?kù)汲取的熱量。2.開(kāi)爾文表述:不行能從單一熱庫(kù)汲取熱量,使之完全變勝利,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)關(guān)鍵實(shí)力·素養(yǎng)形成一熱力學(xué)其次定律的應(yīng)用1.單一熱庫(kù):指溫度勻稱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)家已在探討利用海水上下溫度不同來(lái)發(fā)電。2.其他影響:(1)除了從單一熱庫(kù)汲取的熱量以及所做的功以外的其他一切影響。(2)除了從低溫物體汲取熱量、高溫物體得到熱量外,其他一切影響和改變。3.關(guān)于“不行能”:事實(shí)上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí),除了從單一熱庫(kù)汲取熱量對(duì)外做功,以及熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)以外,過(guò)程所產(chǎn)生的其他一切影響,不論用任何曲折困難的方法都不行能加以消退。4.適用條件:只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過(guò)程,而不適用于少量的微觀體系,也不能把它擴(kuò)展到無(wú)限的宇宙。【思索·探討】如圖是熱量在傳遞過(guò)程中的情景。探討:(1)在自然過(guò)程中熱量是如何傳遞的?提示:熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體,或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調(diào)和冰箱是如何傳遞熱量的?提示:空調(diào)和冰箱可以通過(guò)電機(jī)做功,把熱量從溫度比較低的房間內(nèi)或冰箱內(nèi)傳遞到房間外或冰箱外?！镜淅痉丁?多選)下列關(guān)于宏觀物體的熱現(xiàn)象的說(shuō)法中正確的是()A.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性B.一切不違反能量守恒定律的物理過(guò)程都是可能實(shí)現(xiàn)的C.由熱力學(xué)其次定律可以推斷物理過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行D.一切物理過(guò)程都不行能自發(fā)地進(jìn)行E.功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過(guò)程是不行逆的【解析】選A、C、E。熱力學(xué)其次定律是反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律,熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,但可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體;并不是全部符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能實(shí)現(xiàn),故A、C正確,B、D錯(cuò)誤;一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都是不行逆的,故E正確?！菊`區(qū)警示】對(duì)熱力學(xué)其次定律理解的兩個(gè)誤區(qū)(1)誤認(rèn)為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體,不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體,也可以由低溫物體傳到高溫物體;但是,前者可以自發(fā)完成,而后者則必需有外界參加。(2)誤認(rèn)為機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;但是,前者可以不產(chǎn)生其他影響,而后者肯定會(huì)產(chǎn)生其他影響?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】(多選)用兩種不同材料的金屬絲組成一個(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(shuō)法是()A.這一試驗(yàn)不違反熱力學(xué)其次定律B.在試驗(yàn)過(guò)程中,熱水溫度降低,冷水溫度上升C.在試驗(yàn)過(guò)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.在試驗(yàn)過(guò)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【解析】選A、B。自然界中的任何自然現(xiàn)象或過(guò)程都不違反熱力學(xué)定律,本試驗(yàn)現(xiàn)象也不違反熱力學(xué)其次定律,A正確;整個(gè)過(guò)程中能量守恒且傳熱有方向性,B正確;在試驗(yàn)過(guò)程中,熱水中的內(nèi)能除轉(zhuǎn)化為電能外,還上升了金屬絲的溫度,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,還上升了金屬絲的溫度,電能不能全部轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能,C、D錯(cuò)誤?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】(多選)下列現(xiàn)象不行能發(fā)生的是()A.在一與外界絕熱的房間內(nèi),將一臺(tái)正在工作的電冰箱的門(mén)打開(kāi),能使該房間降溫B.蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C.一個(gè)在粗糙的水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體最終要停下來(lái),物體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D.在熱傳導(dǎo)中,熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體【解析】選A、B。在一與外界絕熱的房間內(nèi),將一臺(tái)正在工作的電冰箱的門(mén)打開(kāi),消耗了電能,產(chǎn)生了焦耳熱,所以房間溫度不僅不能降低還會(huì)上升,故A不行能發(fā)生;蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能不行能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,轉(zhuǎn)化過(guò)程中必定存在能量耗散,故B不行能發(fā)生;一個(gè)在粗糙的水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體最終要停下來(lái),物體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,C可能發(fā)生;在熱傳導(dǎo)中,熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體,D可能發(fā)生。二熱機(jī)和其次類永動(dòng)機(jī)1.熱機(jī)的特點(diǎn):(1)熱機(jī)不僅僅只有一個(gè)熱庫(kù)。(2)熱機(jī)的效率不行能達(dá)到100%。2.其次類永動(dòng)機(jī)不能制成的緣由:違反了熱力學(xué)其次定律(不違反能量守恒定律)。3.其次類永動(dòng)機(jī)不能制成的意義:(1)機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。(2)機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性。(3)兩類永動(dòng)機(jī)的比較。第一類永動(dòng)機(jī):不消耗任何能量,可以不斷做功(或只賜予很小的能量啟動(dòng)后,可以恒久運(yùn)動(dòng)下去)。其次類永動(dòng)機(jī):將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,而不引起其他改變(或只有一個(gè)熱源,實(shí)現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)?！舅妓鳌ぬ接憽咳鐖D所示是制冷機(jī)和熱機(jī)的工作過(guò)程示意圖,請(qǐng)?jiān)趫D片基礎(chǔ)上思索以下問(wèn)題:探討:(1)制冷機(jī)工作時(shí)熱量是自發(fā)地從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)嗎?(2)熱機(jī)工作時(shí)是否將從高溫?zé)釒?kù)汲取的熱量全部用來(lái)做功?提示:(1)不是。熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)時(shí)須要有外界做功。(2)否。熱機(jī)工作時(shí)只將從高溫?zé)釒?kù)汲取熱量的一部分用來(lái)做功,剩余的釋放到低溫?zé)釒?kù)?！镜淅痉丁吭跓釋W(xué)中,下列說(shuō)法正確的是 ()A.第一類永動(dòng)機(jī)不行制成是由于它違反了能量守恒定律B.其次類永動(dòng)機(jī)不行制成是由于它違反了能量守恒定律C.熱力學(xué)其次定律告知我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D.熱量只能從高溫物體傳向低溫物體,而不能從低溫物體傳向高溫物體【解析】選A。不消耗能量而不斷對(duì)外做功的第一類永動(dòng)機(jī)是不行能制成的,因?yàn)樗`反了能量守恒定律,故A正確;從單一熱庫(kù)汲取熱量而對(duì)外做功的其次類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律,但違反了熱力學(xué)其次定律,故B錯(cuò)誤;熱力學(xué)其次定律告知我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能在“肯定的條件下”也能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,故C錯(cuò)誤;熱量能從高溫物體傳向低溫物體,在“肯定的條件下”也能從低溫物體傳向高溫物體。故D錯(cuò)誤?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)關(guān)于其次類永動(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,能將從單一熱源汲取的熱量全部用來(lái)做功,而不引起其他改變的熱機(jī)叫作其次類永動(dòng)機(jī)B.其次類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律,所以不行能制成C.其次類永動(dòng)機(jī)不行能制成,說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不行能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D.其次類永動(dòng)機(jī)不行能制成,說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不行能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,同時(shí)不引起其他改變【解析】選A、D。依據(jù)其次類永動(dòng)機(jī)的定義可知A正確,其次類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律,而是違反熱力學(xué)其次定律,所以B錯(cuò)誤。機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能在引起其他改變時(shí)可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,C錯(cuò)誤,D正確。2.下列有關(guān)熱學(xué)學(xué)問(wèn)的論述正確的是()A.兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí),熱量既能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,也可以自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B.無(wú)論用什么方式都不行能使能量從低溫物體向高溫物體傳遞C.第一類永動(dòng)機(jī)違反能的轉(zhuǎn)化和守恒定律,其次類永動(dòng)機(jī)不違反能的轉(zhuǎn)化和守恒定律,隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展,其次類永動(dòng)機(jī)可以制造出來(lái)D.溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)記【解析】選D。兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí),熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,但不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體,故A錯(cuò)誤;在外界的影響下,能使能量從低溫物體向高溫物體傳遞,空調(diào)、冰箱就是這個(gè)原理,故B錯(cuò)誤;第一類永動(dòng)機(jī)違反能的轉(zhuǎn)化和守恒定律,不能制造出來(lái),其次類永動(dòng)機(jī)不違反能的轉(zhuǎn)化和守恒定律,但違反了物理過(guò)程的方向性,同樣不能制造勝利,故C錯(cuò)誤;溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的反映,是物體分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)記,溫度越高,分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能越大,故D正確?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】1.其次類永動(dòng)機(jī)不行以制成,是因?yàn)?)A.違反了能量守恒定律B.熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體C.機(jī)械能不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能D.內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,同時(shí)不引起其他改變【解析】選D。其次類永動(dòng)機(jī)設(shè)想雖然符合能量守恒定律,但是違反了能量轉(zhuǎn)化中有些過(guò)程是不行逆的規(guī)律,所以不行能制成。2.(多選)如圖所示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)器中制冷劑汽化汲取箱體內(nèi)的熱量,經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)制冷劑液化,放出熱量到箱體外。下列說(shuō)法正確的是()A.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)第肯定律D.電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第肯定律【解析】選B、C。依據(jù)熱力學(xué)其次定律,熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,必需借助于其他系統(tǒng)做功,A錯(cuò)誤,B正確;熱力學(xué)第肯定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律,是能量守恒定律的詳細(xì)表現(xiàn),適用于全部的熱現(xiàn)象,故C正確,D錯(cuò)誤?！就卣估}】考查內(nèi)容:熱力學(xué)定律的綜合應(yīng)用【典例】一種冷暖兩用型空調(diào),銘牌標(biāo)注:輸入功率1kW,制冷實(shí)力1.2×104kJ/h,制熱實(shí)力1.3×104kJ/h。這樣,該空調(diào)在制熱時(shí),每消耗1J電能,將放出3J的熱量。標(biāo)注是否錯(cuò)誤?【解析】空調(diào)制冷、制熱是靠壓縮機(jī)做功,通過(guò)內(nèi)部的制冷劑將熱量從溫度低的地方向溫度高的地方傳遞。在制熱時(shí),室內(nèi)溫度高,室外溫度低,熱量不會(huì)自發(fā)地從室外向室內(nèi)傳遞。要實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程就會(huì)引起其他的改變,這里的其他改變正是通過(guò)壓縮機(jī)做功消耗電能的過(guò)程,題中放出3J的熱量是指將3J的內(nèi)能從室外傳遞到室內(nèi),需消耗1J的電能。整個(gè)過(guò)程既不違反熱力學(xué)第肯定律的能量守恒,又符合熱力學(xué)其次定律的方向性。因此標(biāo)注沒(méi)有錯(cuò)誤。答案:見(jiàn)解析課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(多選)關(guān)于熱機(jī)的效率,下列說(shuō)法正確的是()A.有可能達(dá)到80% B.有可能達(dá)到100%C.有可能超過(guò)80% D.肯定能達(dá)到100%【解析】選A、C。依據(jù)熱力學(xué)其次定律,熱機(jī)效率恒久也達(dá)不到100%。2.關(guān)于能源和能量,下列說(shuō)法正確的是()A.自然界的能量是守恒的,所以地球上的能源永不枯竭B.能源的利用過(guò)程中有能量耗散,所以自然界的能量在不斷削減C.能量耗散遵循能量守恒定律D.人類在不斷地開(kāi)發(fā)和利用新能源,所以能量可以被創(chuàng)建【解析】選C。自然界中的能量是守恒的,但地球上的化石能源的存儲(chǔ)量是有限的,假如過(guò)量開(kāi)采這些能源,就會(huì)存在能源危機(jī),故A錯(cuò)誤;能源的利用過(guò)程中有能量耗散,但自然界中的能量是守恒的,所以自然界中的能量不會(huì)減小,故B錯(cuò)誤,C正確;能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消逝,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,故D錯(cuò)誤。3.如圖所示,汽缸內(nèi)盛有肯定量的志向氣體,汽缸壁是導(dǎo)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(dòng),這樣氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)外做功。若已知志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān),則下列說(shuō)法正確的是 ()A.氣體是從單一熱源吸熱,全用來(lái)對(duì)外做功,因此此過(guò)程違反熱力學(xué)其次定律B.氣體從單一熱源吸熱,但并未全用來(lái)對(duì)外做功,所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)其次定律C.氣體是從單一熱源吸熱,全用來(lái)對(duì)外做功,但此過(guò)程不違反熱力學(xué)其次定律D.A、B、C三種說(shuō)法都不對(duì)【解析】選C。熱力學(xué)其次定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性來(lái)描述是不行能從單一熱源汲取熱量并把它全部用來(lái)做功而不引起其他改變。本題中假如沒(méi)有外界的幫助,比如外力拉動(dòng)活塞桿使活塞向右移動(dòng),使氣體膨脹對(duì)外做功,導(dǎo)致氣體溫度略微降低,是不行能從外界汲取熱量的,即這一過(guò)程雖然是氣體從單一熱源吸熱,全用來(lái)對(duì)外做功,但引起了其他改變,所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)其次定律。4.對(duì)于永動(dòng)機(jī)的相識(shí),下列說(shuō)法正確的是()A.第一類永動(dòng)機(jī)和其次類永動(dòng)機(jī)都違反了能量守恒定律,所以都不行能制成B.第一類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律,其次類永動(dòng)機(jī)沒(méi)有違反能量守恒定律,因此,隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,其次類永動(dòng)機(jī)是可以制成的C.第一類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第肯定律,其次類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)其次定律,這兩類永動(dòng)機(jī)都不行能制成D.兩類永動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)和工作原理是相同的,都是人們的美妙設(shè)想,是恒久不會(huì)實(shí)現(xiàn)的?！窘馕觥窟xC。第一類永動(dòng)機(jī)違反了能量的轉(zhuǎn)化與守恒,不行能實(shí)現(xiàn),其次類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律,但違反了熱力學(xué)其次定律,內(nèi)能在轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中要生熱,所以要引起其他改變。這兩