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·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)釒旒橙〉臒崃俊?.開爾文表述:不行能從單一熱庫汲取熱量,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: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,有些國家已在探討利用海水上下溫度不同來發(fā)電。2.其他影響:(1)除了從單一熱庫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),除了從單一熱庫汲取熱量對(duì)外做功,以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝?過程所產(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)的宏觀過程,而不適用于少量的微觀體系,也不能把它擴(kuò)展到無限的宇宙?！舅妓鳌ぬ接憽咳鐖D是熱量在傳遞過程中的情景。探討:(1)在自然過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)象的說法中正確的是()A.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B.一切不違反能量守恒定律的物理過程都是可能實(shí)現(xiàn)的C.由熱力學(xué)其次定律可以推斷物理過程能否自發(fā)進(jìn)行D.一切物理過程都不行能自發(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)過程中,熱水溫度降低,冷水溫度上升C.在試驗(yàn)過程中,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)過程中能量守恒且傳熱有方向性,B正確;在試驗(yàn)過程中,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打開,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,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打開,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,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。(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)。【思索·探討】如圖所示是制冷機(jī)和熱機(jī)的工作過程示意圖,請(qǐng)?jiān)趫D片基礎(chǔ)上思索以下問題:探討:(1)制冷機(jī)工作時(shí)熱量是自發(fā)地從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒靻?(2)熱機(jī)工作時(shí)是否將從高溫?zé)釒旒橙〉臒崃咳坑脕碜龉?提示:(1)不是。熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒鞎r(shí)須要有外界做功。(2)否。熱機(jī)工作時(shí)只將從高溫?zé)釒旒橙崃康囊徊糠钟脕碜龉?剩余的釋放到低溫?zé)釒?。【典例示范】在熱學(xué)中,下列說法正確的是 ()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,能將從單一熱源汲取的熱量全部用來做功,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,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)過冷凝器時(shí)制冷劑液化,放出熱量到箱體外。下列說法正確的是()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)這一過程就會(huì)引起其他的改變,這里的其他改變正是通過壓縮機(jī)做功消耗電能的過程,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)注沒有錯(cuò)誤。答案:見解析課堂檢測·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(多選)關(guān)于熱機(jī)的效率,下列說法正確的是()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,假如過量開采這些能源,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),則下列說法正確的是 ()A.氣體是從單一熱源吸熱,全用來對(duì)外做功,因此此過程違反熱力學(xué)其次定律B.氣體從單一熱源吸熱,但并未全用來對(duì)外做功,所以此過程不違反熱力學(xué)其次定律C.氣體是從單一熱源吸熱,全用來對(duì)外做功,但此過程不違反熱力學(xué)其次定律D.A、B、C三種說法都不對(duì)【解析】選C。熱力學(xué)其次定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來描述是不行能從單一熱源汲取熱量并把它全部用來做功而不引起其他改變。本題中假如沒有外界的幫助,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,即這一過程雖然是氣體從單一熱源吸熱,全用來對(duì)外做功,但引起了其他改變,所以此過程不違反熱力學(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。【解析】選C。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)械能的過程中要生熱,所以要引起其他改變。這兩