人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：3 4 熱力學(xué)第二定律

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第4節(jié)熱力學(xué)第二定律〖學(xué)習(xí)目標(biāo)要求〗1.知道一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的。2.知道熱力學(xué)第二定律的兩種表述內(nèi)容，并能運(yùn)用該定律解決一些實(shí)際問(wèn)題。3.了解自然界中的能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，知道能量耗散的概念。一、熱力學(xué)第二定律1.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的。如物體間的傳熱、氣體的膨脹、擴(kuò)散、有摩擦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)……都有特定的方向性。2.反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律?！寂幸慌小?1)熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體。(√)(2)傳熱是有方向性的。(√)(3)氣體向真空中膨脹的過(guò)程是有方向性的。(√)二、熱力學(xué)第二定律的兩種表述1.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。闡述的是傳熱的方向性。2.熱機(jī)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。第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外做功，把自己的內(nèi)能變成機(jī)械能。3.熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，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)〖判一判〗(1)熱量不能從低溫物體傳到高溫物體。(×)(2)不可逆過(guò)程指的是某過(guò)程只沿某個(gè)方向發(fā)生，而不可能在沒(méi)有外界影響(或不產(chǎn)生其他影響)的情況下沿相反方向發(fā)生。(√)(3)內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(×)(4)一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都不具有可逆性。(×)三、能源是有限的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)化成內(nèi)能流散到周圍的環(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(guò)能使地球、大氣稍稍變暖一點(diǎn)，卻再也不能自動(dòng)聚集起來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程叫作“能量耗散”。3.能源：是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì)。探究1熱力學(xué)第二定律的理解1.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。2.其他影響：指除了從單一熱庫(kù)吸收的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響；或者除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到相同的熱量外，其他一切影響和變化，不是不能從單一熱庫(kù)吸收熱量而對(duì)外做功，而是這樣做的結(jié)果，一定伴隨著其他變化或影響。同樣，也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產(chǎn)生其他影響的自動(dòng)傳熱是不可能的。3.關(guān)于“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱庫(kù)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)以外，過(guò)程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何曲折復(fù)雜的辦法都不可能加以消除。4.兩種表述是等價(jià)的如果克勞修斯表達(dá)不成立，則開(kāi)爾文表述也不成立。5.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?！祭?〗(多選)關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列說(shuō)法中正確的是()A.不可能從單一熱庫(kù)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，只有單一的熱庫(kù)，能將從單一熱庫(kù)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?，故D正確?！祭?〗(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)器中制冷劑汽化吸收箱體內(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背熱力學(xué)第二定律D.電冰箱的工作原理違背熱力學(xué)第二定律〖答案〗BC〖解析〗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，要想使熱量從低溫物體傳到高溫物體必須借助于其他系統(tǒng)做功，故A錯(cuò)誤，B正確；電冰箱的工作原理不違背熱力學(xué)第二定律，故C正確，D錯(cuò)誤。〖針對(duì)訓(xùn)練1〗(多選)對(duì)于孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過(guò)程，下列說(shuō)法中正確的是()A.系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小B.系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C.系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向更無(wú)序的狀態(tài)發(fā)展D.系統(tǒng)逐漸從比較無(wú)序的狀態(tài)向更有序的狀態(tài)發(fā)展〖答案〗AC〖解析〗在孤立體系中發(fā)生的實(shí)際過(guò)程，其系統(tǒng)的總熵是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯(cuò)誤；根據(jù)熵增加原理，系統(tǒng)總是自發(fā)地從比較有序的狀態(tài)向更無(wú)序的狀態(tài)發(fā)展，故C正確，D錯(cuò)誤。探究2永動(dòng)機(jī)不可能制成1.永動(dòng)機(jī)：不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的一種機(jī)器，永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。2.人類通過(guò)對(duì)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)得知，要獲得一種能量，一定需要利用另一種能量通過(guò)做功的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，能量不能被產(chǎn)生。即不可能設(shè)計(jì)、創(chuàng)造出一種不消耗任何能量而能源源不斷地對(duì)外做功的永動(dòng)機(jī)。3.永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析：如果沒(méi)有外界熱庫(kù)供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說(shuō)，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對(duì)外做功是要以內(nèi)能減少為代價(jià)的。若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無(wú)外界能量供給的情況下是不可能的。〖例3〗如圖所示，一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片，輕推轉(zhuǎn)輪后，進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。離開(kāi)熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)。下列說(shuō)法正確的是()A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來(lái)自形狀記憶合金自身C.轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)熱水，水溫升高D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量〖答案〗D〖解析〗形狀記憶合金從熱水中吸收熱量后，一部分能量在伸展劃水時(shí)轉(zhuǎn)化為水和轉(zhuǎn)輪的動(dòng)能，另一部分釋放到空氣中，根據(jù)能量守恒定律可知只有D項(xiàng)正確?！坚槍?duì)訓(xùn)練2〗(多選)下列說(shuō)法正確的是()A.一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)吸收了熱量，其內(nèi)能不一定增加B.絕熱情況下，外界對(duì)物體做了正功，物體的內(nèi)能也不一定增加C.根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%D.第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造出來(lái)的，因?yàn)樗粌H違反熱力學(xué)第一定律，也違反熱力學(xué)第二定律〖答案〗AC〖解析〗一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于氣體從外界吸收的熱量與外界對(duì)它所做的功的和，故A正確，B錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律“不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響”，故C正確；第二類永動(dòng)機(jī)不違反熱力學(xué)第一定律，但違反熱力學(xué)第二定律，故D錯(cuò)誤。探究3能量耗散和品質(zhì)降低的理解1.能量耗散自然界中集中度較高(即有序度較高)的能量，如機(jī)械能、電能、化學(xué)能，當(dāng)它們變?yōu)榄h(huán)境的內(nèi)能后，就成為更加分散的能量，沒(méi)有辦法把這些分散的內(nèi)能重新變成品質(zhì)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(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是能夠自動(dòng)發(fā)生、全額發(fā)生的，能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性。2.能量品質(zhì)的降低能量耗散雖然不會(huì)使能量減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它實(shí)際上將能量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式。煤、石油、天然氣等能源儲(chǔ)存著高品質(zhì)的能量，在利用它們的時(shí)候，高品質(zhì)的能量釋放出來(lái)并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的內(nèi)能。內(nèi)能較之機(jī)械能、電能、光能、核能等是一種低品質(zhì)能量。雖然能量不會(huì)減少但能源越來(lái)越少，所以要節(jié)約能源。〖例4〗下列說(shuō)法正確的是()A.能量耗散說(shuō)明能量在不斷減少B.能量耗散從能量轉(zhuǎn)化角度反映出自然界的宏觀過(guò)程具有方向性C.對(duì)能源的過(guò)度消耗將使自然界的能量不斷減少，形成能源危機(jī)D.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為電能〖答案〗B〖解析〗能量耗散是指能量的可利用率越來(lái)越低，由于能量守恒，故能量不會(huì)減少，A錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程具有方向性，能量耗散就是從能量的角度反映了這種方向性，B正確；根據(jù)能量守恒定律，自然界的能量不會(huì)減少，C錯(cuò)誤；火力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程為化學(xué)能—內(nèi)能—機(jī)械能—電能，因?yàn)閮?nèi)能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)對(duì)外放出熱量，故燃?xì)獾膬?nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?，D錯(cuò)誤。1.(熱力學(xué)第二定律的理解)(多選)下列說(shuō)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.傳熱是有方向性的D.氣體向真空中膨脹的過(guò)程是有方向性的〖答案〗ACD〖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(shuō)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、C正確，B錯(cuò)誤；氣體向真空中膨脹的過(guò)程也是不可逆，具有方向性的，D正確。2.(熱力學(xué)第二定律的理解)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)家從理論推導(dǎo)得出來(lái)的結(jié)果D.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。它揭示了熱現(xiàn)象宏觀自然過(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。3.(能量耗散和品質(zhì)降低的理解)(多選)熱現(xiàn)象過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)能