3-4热力学第二定律(人教2019选择性必修第三册-)(原卷版).docx

第三章 热力学定律
第4节 热力学第二定律
【核心素养目标】
物理观念
通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律
科学思维
了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质.
科学探究
能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题. 认识能量耗散，知道能源是有限的．
科学态度与责任
通过热力学第二定律知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。
知识点一　对热力学第二定律的理解
【情境导入】
1．传热的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？
2．如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题：

(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？
(2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？
【知识梳理】
1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的 性的定律．
2．热力学第二定律的克劳修斯表述：
热量不能 地从 温物体传到 温物体．阐述的是传热的 性．
3．热力学第二定律的开尔文表述：
(1)热机
①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的 变成工作物质的 ；第二个阶段是工作物质对外 ，把自己的内能变成 ．
②热机用于做功的热量一定 它从高温热库吸收的热量，即W Q.
(2)热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之 ，而不产生其他影响．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)
4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是 (选填“等价”或“不等价”)的．
【重难诠释】
1．自然过程的方向性
(1)热传导具有方向性
两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．
(2)气体的扩散现象具有方向性
两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体．
(3)机械能和内能的转化过程具有方向性
物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．
(4)气体向真空膨胀具有方向性
气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空．
2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义
(1)“自发地”是指热量从高温物体自发地传给低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等．
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响．如吸热、放热、做功等．
(3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统．若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功．据报道，有些国家已在研究利用海水上下层温度不同来发电．
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除．
特别提醒　(1)热力学第二定律的两种表述是等价的．
(2)热力学第二定律的实质：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
【典例精析】
例1． (多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是(　　)
A．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
B．没有冷凝器，只有单一的热库，能将从单一热库吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的
C．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化
D．如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到100%
【规律方法】
1．一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现．
2．热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的．例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响．
知识点二　能源是有限的
【情境导入】
1．流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用．可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？
2．如图所示是两幅宣传节约能源的图片．请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？

【知识梳理】
1．能源：具有 的容易利用的储能物质．
2．能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”．
3．能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了， 减少了．
【重难诠释】
1．能量耗散
自然界中集中度较高(有序度较高)的能量，如机械能、电能、化学能，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散也是无序度更大的能量，没有办法把这些分散的无序度更大的内能重新变成有序度较高的能量加以利用，这样的现象叫作能量耗散。
各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的，能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。
2．能量品质的降低
能量耗散虽然不会使能量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。内能较之机械能、电能、光能、核能等是一种低品质能量。
【典例精析】
例2．关于能量耗散，下列说法不正确的是(　　)
A．能量耗散导致能量的品质降低
B．能量耗散是指分散在环境中的内能很难被人类再回收利用
C．能量耗散使能量总量减少，违背了能量守恒定律
D．各种形式的能量在一定条件下向内能的转化，是能够全额发生的
知识点三　热力学第一定律和热力学第二定律的比较
【重难诠释】
1．两个定律的比较

热力学第一定律
热力学第二定律
区别
是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机
是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机
联系
两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础

2.两类永动机的比较

第一类永动机
第二类永动机
设计要求
不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去)
将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)
不可能制成的原因
违背了能量守恒定律
违背了热力学第二定律

【典例精析】
例3． (多选)对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是(　　)
A．一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收120 J 热量，则它的内能增加20 J
B．物体从外界吸收热量，其内能一定增加，物体对外界做功，其内能一定减少
C．第二类永动机违背了热力学第二定律，没有违背热力学第一定律
D．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在传热中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体

针对训练
一、单选题
1．下列过程中可能发生的是（   ）
A．某种物质从高温热源吸收20kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响
B．打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复原状
C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高
D．将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开
2．下列说法正确的是（　　）
A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功
B．热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化
C．热机的效率不可能大于1，但可能等于1
D．热机的效率必定小于1
3．关于能量的转化与守恒，下列说法中正确的是（　　）
A．摩擦生热的过程是不可逆的
B．所有能量守恒的过程都是可逆的
C．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性
D．由于能的转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机
4．对下列过程的判断中不正确的是（　　）
A．电能可以全部变为内能
B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能
C．热机中，燃气内能可能全部变为机械能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
5．下列说法中正确的是（　　）
A．电热器消耗的电能可以全部变成内能
B．在火力发电中，水蒸气的内能可以全部转化为电能
C．在手机中，电池的电能可以全部转化为空气振动的机械能
D．可以制造一种传热物体，能使热量自发地从物体的低温端传给高温端
6．下列说法中正确的是（　　）
A．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都不具有方向性
B．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性
C．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
D．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行
7．“绿色、环保、低碳”是当今世界的关键词，“低碳”要求我们节约及高效利用能源。关于能源与能量，下列说法正确的是（　　）
A．因为能量守恒，所以不要节约能源
B．自然界中石油、煤炭等能源可供人类长久使用
C．人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源
D．人类不断地开发和利用新的能源，所以能量可以被创造
8．如图，某厂家声称所生产的空气能热水器能将热量从空气吸收到储水箱下列说法中正确的是　　

A．热量可以自发地从大气传递到储水箱内
B．空气能热水器的工作原理违反了能量守恒定律
C．空气能热水器的工作原理违反了热力学第二定律
D．空气能热水器能够不断地把空气中的热量传到水箱内，但必须消耗电能
二、多选题
9．下面关于熵的说法正确的是　　
A．熵是物体内分子运动无序程度的量度
B．对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向减少的方向进行
C．热力学第二定律的微观实质是：熵总是增加的
D．熵值越大，表明系统内分子运动越无序
10．玻璃的出现和使用在人类生活里已有四千多年的历史，它是一种非晶体。下列关于玻璃的说法正确的有（　　）
A．没有固定的熔点
B．天然具有规则的几何形状
C．沿不同方向的导热性能相同
D．分子在空间上周期性排列
11．下列说法中正确的是　　
A．第二类永动机无法制成是因为它违背了热力学第一定律
B．教室内看到透过窗子的“阳光柱”里粉尘颗粒杂乱无章的运动，这种运动是布朗运动
C．小草上的露珠呈球形的主要原因是液体表面张力的作用
D．热量能从高温物体向低温物体传递，也能由低温物体传给高温物体
12．根据热力学第二定律，下列判断正确的是　　
A．热机中，燃气内能不可能全部转化为机械能
B．一个物体的机械能不可能全部转化为内能
C．在火力发电机中，燃气的内能可以全部转化为电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
13．下列说法正确的是　　
A．汽缸内一定质量的理想气体做等温膨胀时要放热
B．对绝热容器内的气体进行压缩，气体内能增大
C．任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少
D．空调制冷时，热量自发地从低温物体传递给高温物体
14．对热力学第二定律的认识，下列说法正确的有　　
A．热量能自发地从高温物体传递给低温物体
B．热量不能从低温物体传递给高温物体
C．不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其它影响
D．效率是的热机是制造不出来的
15．以下说法正确的是（　　）
A．物体中大量分子运动速率的分布服从统计规律
B．用气筒的活塞压缩气体很费力，说明气体分子间有斥力
C．能源就是能量，是不会减少的
D．将一个分子从无穷远处无限靠近另一个分子，则分子势能先减小后增大