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

第三章熱力學定律4熱力學第二定律學習目標學法與考法1．理解熱力學第二定律的兩種表述，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不可能制成的原因(重點)2．學會用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題(重點)3．學會運用熱力學第二定律解決一些實際問題(難點)學法：①通過自然現(xiàn)象實例得出自然過程具有方向性，繼而分析熱量傳遞的方向性．②通過小組合作討論“第二類永動機”不可能實現(xiàn)的原因考法：①對自然過程具有方向性理解的考查．②對熱力學第二定律的兩種表述實質(zhì)及其關(guān)系的理解和考查．③考查熱力學第二定律在實際中的應用知識導圖

課前?自主預習熱力學第二定律的克勞修斯表述1．熱傳導的方向性(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)熱傳導過程是有________的．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_________．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．熱力學第二定律的開爾文表述1．熱機(1)熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的__________變成工作物質(zhì)的________．第二個階段是工作物質(zhì)對外________，把自己的內(nèi)能變成__________．(2)熱機的效率：熱機輸出的__________與燃料燃燒產(chǎn)生的________的比值．用公式表示η＝______．化學能內(nèi)能做功機械能機械功W

熱量Q

2．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(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)3．熱力學第二定律的理解(1)一切宏觀自然過程的進行都具有__________．(2)氣體向真空的自由膨脹是__________的．(3)第二類永動機是不可能制成的．(4)機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能．完全變成功方向性不可逆4．第二類永動機(1)定義：只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?2)第二類永動機不可能制成的原因：雖然第二類永動機不違背________________，但大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱庫，熱機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熱庫．能量守恒定律科技發(fā)達后，熱機的效率可以達到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，無論采用任何設備和手段進行能量轉(zhuǎn)化，熱機的效率不可能達到100%．

(多選)根據(jù)熱力學第二定律，下列說法中正確的是

(

)A．不可能從單一熱源吸熱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，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是可以實現(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，燃氣的內(nèi)能不可能全部變成電能【答案】AD【解析】熱力學第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，A正確；機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉(zhuǎn)化為機械能必須有外界的幫助，故B錯誤；冰箱向外傳遞熱量時消耗了電能，故C錯誤；火力發(fā)電時，能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機械能→電能，因為內(nèi)能向機械能轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內(nèi)能必然不會全部變?yōu)殡娔?，故D正確．課堂?重難探究－對熱力學第二定律的理解1．對熱力學第二定律的理解在熱力學第二定律的表述中，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第二定律的關(guān)鍵所在．(1)“自發(fā)地”過程就是不受外來干擾進行的自然過程，如重物下落、植物的開花結(jié)果等都是自然界客觀存在的一些過程，它不受外界干擾．在熱傳遞過程中，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)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)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．2．熱力學第二定律的實質(zhì)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，進而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．熱力學第二定律的兩種表述的等價性兩種表述是等價的，即一個說法是正確的，另一個說法也必然是正確的；如一個說法是錯誤的，另一個說法必然是不成立的．對熱力學第二定律的理解例1下列關(guān)于熱力學第二定律的說法，正確的是 (

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

)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)過一段時間大米、小米不會自動分開B．將一滴紅墨水滴入一杯清水中，會均勻擴散到整杯水中，經(jīng)過一段時間，墨水和清水不會自動分開C．冬季的夜晚，放在室外的物體隨氣溫的降低，內(nèi)能不會自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機械能而動起來D．隨著節(jié)能減排措施的不斷完善，最終也不會使汽車熱機的效率達到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)象與溫度無關(guān)，不是熱現(xiàn)象，不能用熱力學第二定律解釋，A符合題意；將一滴紅墨水滴入一杯清水中，會均勻擴散到整杯水中，經(jīng)過一段時間，墨水和清水不會自動分開，這種現(xiàn)象與溫度有關(guān)，溫度越高，分子運動越激烈，擴散越快，根據(jù)熱力學第二定律，墨水和清水不會自動分開，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)熱力學第二定律，內(nèi)能不會自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機械能而動起來，C不符合題意；隨著節(jié)能減排措施的不斷完善，根據(jù)熱力學第二定律，最終也不會使汽車熱機的效率達到100%，D不符合題意．理解熱力學第二定律的關(guān)鍵理解熱力學第二定律的實質(zhì)，即自然界中進行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．理解的關(guān)鍵在于“自發(fā)”和“不引起其他變化”．－對第二類永動機的理解1．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”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”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)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(gòu)成機器的工作物質(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)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過程所產(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．熱力學第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進行都具有方向性．(2)氣體向真空的自由膨脹是不可逆的．(3)第二類永動機是不可能制成的．3．兩類永動機的比較永動機第一類永動機第二類永動機設計要求不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)不可能的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學第二定律對第二類永動機的理解例2

(多選)關(guān)于第二類永動機，下列說法正確的是 (

)A．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叫作第二類永動機B．第二類永動機違反了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能D．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變化【答案】AD【解析】根據(jù)第二類永動機的定義可知A正確；第二類永動機不違反能量守恒定律，但是違反熱力學第二定律，B錯誤；內(nèi)能在引起其他變化時可能全部轉(zhuǎn)化為機械能，C錯誤，D正確．變式2

(2023年蘇州階段檢測)根據(jù)你學過的熱學中的有關(guān)知識，判斷下列說法正確的是

(

)A．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來做功轉(zhuǎn)化成機械能B．第一類永動機違背熱力學第一定律，第二類永動機違背熱力學第二定律，都不可以制造出來C．凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，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．隨著科技不斷進步，熱機的效率能達到100%【答案】B【解析】機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以用來做功轉(zhuǎn)化成機械能，但后者會引起其他變化，且不能全部轉(zhuǎn)化成機械能，因為任何物體內(nèi)能都不會為0，A錯誤；第一類永動機違背熱力學第一定律，第二類永動機違背熱力學第二定律，都不可以制造出來，B正確；根據(jù)熱力學第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，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錯誤；盡管科技不斷進步，但熱機的效率也不能達到100%，D錯誤．1．熱力學第一定律是能量守恒定律在熱學中的一種表述形式，是從能的角度揭示不同物質(zhì)運動形式相互轉(zhuǎn)化的可能性．告誡人們：第一類永動機不可能制成．2．熱力學第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性．如機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化，進一步揭示了各種有關(guān)熱的物理過程都具有方向性．告誡人們：第二類永動機不可能制成．小練?隨堂鞏固1．關(guān)于熱力學第二定律，下列說法正確的是 (

)A．熱力學第二定律是通過實驗總結(jié)出來的實驗定律B．熱力學第二定律是通過大量自然現(xiàn)象的不可逆性總結(jié)出來的經(jīng)驗定律C．熱力學第二定律是物理學家由理論推導得出來的結(jié)果D．由于熱力學第二定律沒有理論和實驗的依據(jù)，因此沒有實際意義【答案】B【解析】熱力學第二定律是物理學家通過對大量自然現(xiàn)象的分析，又總結(jié)了生產(chǎn)和生活經(jīng)驗得到的結(jié)論，是一個經(jīng)驗定律，它并不能通過理論和實驗來證明，但它符合客觀事實，因此是正確的，它揭示了宏觀自然過程的方向性，使人們認識到第二類永動機不可能制成，對我們認識自然和利用自然有著重要的指導意義．2．關(guān)于熱力學定律，下列說法正確的是 (

)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】絕對零度只能無限趨近，永遠無法達到，A錯誤；物體從單一熱庫吸收的熱量可以全部用來對外做功，只不過會引起其他變化，B正確；由熱力學第一定律可知，內(nèi)能的變化決定于做功和熱傳遞兩個方面，所以吸收了熱量的物體，其內(nèi)能不一定增加，C、D錯誤．3．下列說法中正確的是

(

)A．電動機是把電能全部轉(zhuǎn)化為機械能的裝置B．熱機是將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能的裝置C．隨著技術(shù)不斷發(fā)展，可以把內(nèi)燃機得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能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加以完全利用【答案】D【解析】由于電阻的存在，電流通過電動機時一定發(fā)熱，電能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，A錯誤；根據(jù)熱力學第二定律知，熱機不可能將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，B錯誤；C項說法違背熱力學第二定律，因此錯誤；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)動機效率．將渦輪增壓簡化為以下兩個過程，一定質(zhì)量的理想氣體首先經(jīng)過絕熱過程被壓縮，然后經(jīng)過等壓過程回到初始溫度，則

(

)A．絕熱過程中，氣體分子平均動能增加B．絕熱過程中，外界對氣體做負功C．等壓過程中，外界對氣體做正功D．等壓過程中，氣體內(nèi)能不變【答案】AC5．(2023年梅州聯(lián)考)在黨的二十大會議中要求堅定實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，向創(chuàng)新要動力．壓縮空氣儲能(CAES)是一種利用壓縮空氣來儲存能量的新型儲能技術(shù)，絕熱壓縮空氣儲能方式是壓縮空氣并將產(chǎn)生的熱能儲存在各種介質(zhì)當中，比如混凝土