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4.热力学第二定律
第三章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.掌握热力学第二定律的多种表述。
2.知道热传导及宏观过程的方向性。
3.理解能源耗散。
通过对热力学第二定律、热传导,以及宏观过程的方向性的学习,形成物理观念。
自主预习 新知导学
一、热力学第二定律
1.凡是实际的过程,只要涉及热现象,都有特定的 方向 性。一切与热现象有关的宏观自然过程都是 不可逆 的。
2.在物理学中,反映宏观自然过程的 方向性 的定律就是热力学第二定律。
3.热力学第二定律的克劳修斯表述:热量不能自发地从 低温 物体传到 高温 物体。
4.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,使之完全变成 功 ,而不产生其他影响。
二、能源是有限的
1.能量在数量上虽然守恒,但其转移和转化却具有 方向性 。
2.分散在环境中的内能不能自动聚集起来驱动机器做功。
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。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)机械能可以完全转化为内能。( )
(2)能够制成的热机既不违背能量守恒定律,也不违背热力学第二定律。
( )
(3)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。( )
(4)一个宏观态所对应的微观态数目越多,则熵越大。( )
(5)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。( )
√
√
√
√
×
2.关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确的是( )
A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定律是相互矛盾的
B.内能可以转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故两条定律并不矛盾
C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别
D.能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律
解析：热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现,而热力学第二定律则指出所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性,二者并不矛盾,故A、C、D错误,B正确。
B
合作探究 释疑解惑
知识点一
热力学第二定律
【问题引领】
热传导的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传到高温物体”
提示：不能。热量不能自发地从低温物体传到高温物体,“自发地”是指没有第三者影响。例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体,但是产生了其他影响,即外界做了功。
【归纳提升】
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”传到低温物体的方向性。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”是指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。
(4)“不可能”:实际上热机或制冷机系统循环终了时,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,用任何办法都不可能加以消除。
画龙点睛 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。
【典型例题】
【例题1】 (多选)根据热力学第二定律判断,下列说法正确的是( )
A.电流的功不可能全部变为内能
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,燃气内能不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到高温物体
解析：根据热力学第二定律可知,凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性。电流的功可全部变为内能(由焦耳定律可知),但内能不可能全部变成电能,而不产生其他影响。机械能可全部变为内能,而内能不可能全部变成机械能。在热传导中,热量只能自发地从高温物体传到低温物体,而不能自发地从低温物体传到高温物体。
BCD
科学思维 热量可以从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传到高温物体,只不过前者能自发进行,后者必须借助外界的帮助;机械能可以全部转化为内能,而内能要全部转化为机械能,肯定会引起其他变化。
【变式训练1】 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100%,但可能等于100%
D.热机的效率必定小于100%
解析：开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功,但必然要发生其他变化,比如气体等温膨胀,气体内能完全转化为功,但气体体积增大了,A错。开尔文表述指出,热机不可能只有单一热库,但未必就是两个热库,也可以具有两个以上热库,B错。由热力学第二定律可知,热机的效率一定小于100%,C错,D对。
D
【问题引领】
知识点二
能源是有限的
一个放在水平地面上的物体,能不能靠降低温度,把内能自发地转化为动能,而使这个物体运动起来
提示：不可能。机械能和内能的转化过程具有方向性,内能转化成机械能是有条件的。
【归纳提升】
1.自然界的一切变化,人类社会的所有活动,都伴随着能量的转移和转化,能量是一切物质运动的源泉,是一切生命活动的基础。
2.根据热力学第二定律,分散在环境中的内能不管数量多么巨大,它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点,却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。
3.所谓能源,其实是指具有高品质的容易利用的储能物质,周围环境中的内能很难再利用,而机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说,可利用的品质要高。
【典型例题】
【例题2】 (多选)下列对能量耗散的理解正确的有( )
A.能量耗散说明能量在不断减少
B.能量耗散遵守能量守恒定律
C.能量耗散说明能量不能凭空产生,但可以凭空消失
D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
解析：在发生能量转化的宏观过程中,其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能,无法再回收利用,这种现象叫能量耗散。能量耗散并不违反能量守恒定律,能量既没有减少,也没有消失,它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性,故A、C错误,B、D正确。
BD
【变式训练2】 能源利用的过程实质上是( )
A.能量的消失过程
B.能量的创造过程
C.能量的转化和转移过程
D.能量的转化传递并且逐渐消失的过程
解析：能源利用的过程是做功或热传递的过程,即能量的转化和转移过程,故C正确。
C
课堂小结
随堂练习
1.(热力学第二定律的理解)(多选)下列关于热力学第二定律的说法正确的是( )
A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C.机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部用来做功以转换成机械能而不引起其他影响
D.热运动的宏观过程有一定的方向性
解析：热运动的宏观过程有一定的方向性,符合能量守恒定律的宏观过程并不一定都能发生,故A错误,D正确。根据热力学第二定律,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,故B正确。根据热力学第二定律,不可能从单一热库吸收热量,使之完全转换为功,而不产生其他影响,所以机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部用来做功以转换成机械能,而不引起其他影响,故C正确。
BCD
2.(能量耗散的理解)热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法正确的是( )
A.能量耗散说明能量不守恒
B.能量耗散不符合热力学第二定律
C.能量耗散过程中能量不守恒
D.能量耗散是从能量转化的角度,反映出自然界中的宏观过程具有方向性
解析：能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来,其满足能量守恒定律,也符合热力学第二定律,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了。能量耗散反映了涉及热运动的宏观过程都具有方向性,所以A、B、C错误,D正确。
D
本 课 结 束4.热力学第二定律
课后训练 巩固提升
基础巩固
1.下列说法正确的是( )
A.生活中常用的电动机是把电能全部转化为机械能的装置
B.热机是将内能全部转化为机械能的装置
C.随着技术不断发展,可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
D.虽然不同形式的能量可以相互转化,但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用
答案：D
解析：由于电阻的存在,电流通过电动机时一定发热,电能不能全部转化为机械能,A错误。根据热力学第二定律知,热机不可能将内能全部转化为机械能,B错误。C项说法违背热力学第二定律,C错误,只有D正确。
2.热力学定律表明,自然界中进行的热现象的宏观过程( )
A.有的只遵守热力学第一定律
B.有的只遵守热力学第二定律
C.有的既不遵守热力学第一定律,也不遵守热力学第二定律
D.都遵守热力学第一定律和热力学第二定律
答案：D
解析：热力学第一定律和热力学第二定律是热力学的基本定律,对所有涉及热现象的宏观过程都成立,自然界中的一切活动都遵守热力学第一定律和热力学第二定律,故选项D正确,选项A、B、C错误。
3.“能源危机”是当今世界各国共同面临的问题。对此,下列措施可行的是( )
A.人人都要自觉做到节约用水、节约用电,不浪费和人为毁坏物品
B.关闭现有的火力发电站
C.各地都要兴建水力和风力发电站
D.停止使用石油资源,而以核能和太阳能取代
答案：A
解析：受地域环境的限制,风力、水力发电站不能在各地兴建,因而不能关闭火力发电站,故B、C错误。受技术限制,核能和太阳能尚未大规模被利用,所以也不能停止使用石油资源,故D错误。
4.下列说法正确的是( )
A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体
B.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功而不引起其他变化
C.功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功
D.凡是不违反能量守恒定律的过程都一定能实现
答案：B
解析：热量能够自发从高温物体传到低温物体,也能在一定的条件下从低温物体传到高温物体,如电冰箱,故A错误。不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化,这是热力学第二定律的内容,故B正确。功可以全部转化为热,热也可以全部转化为功,但会引起其他变化,故C错误。不违背能量守恒定律的过程不一定都能实现,还不能违背热力学第二定律,故D错误。
5.关于热力学定律和分子动理论,下列说法正确的是( )
A.一定质量的气体吸收热量,其内能一定增大
B.不可能使热量由低温物体传递到高温物体
C.若两分子间距离增大,分子势能一定增大
D.若两分子间距离减小,分子间引力和斥力都增大
答案：D
解析：据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体吸收热量对外做功,内能不一定增大,A错。热量可以由低温物体传递到高温物体但要引起其他变化,B错。两分子间距离减小,分子间引力和斥力都增大,D对。当分子间作用力表现为斥力时,两分子间距离增大,分子势能减小,C错。
6.制冷机是一种利用工作物质,使热量从低温物体传到高温物体的装置,通过制冷机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。夏天,将室内一台正在工作的电冰箱的门打开,试分析这是否可以降低室内的平均温度 为什么
答案：不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开,虽然可以不断向室内释放冷气,但同时冰箱的箱体向室内散热,就整个房间来说,由于外界通过导线不断有能量输入,室内的温度会不断升高。
能力提升
1.如图所示的汽缸内有一定质量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,且不漏气。现将活塞杆与外界连接,使其缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是( )
A.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律
B.气体从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律
C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.以上三种说法都不对
答案：C
解析：热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述,是不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化。本题中如果没有外界的帮助,比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动,使气体膨胀对外做功,导致气体温度略微降低,气体是不可能从外界吸收热量的,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热,全用来对外做功,但引起了其他变化,所以此过程不违反热力学第二定律。
2.下列说法正确的是( )
A.热力学第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性
B.电流流过导体转化为内能,反过来,可将内能收集起来,再转化成相同大小的电流
C.可以做成一种热机,由热源吸取一定的热量而对外做功
D.冰可以熔化成水,水也可以结成冰,这个现象违背了热力学第二定律
答案：C
解析：热力学第二定律说明了一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的,但并没有否定以特殊方式利用能量的可能性,故A项错误。功和内能的转化具有方向性,其逆过程是不可能自发实现的,故B项错误。只要不要求吸收的热量全部用来做功而不产生其他影响,就可以做成一种热机,由热源吸取一定热量而对外做功,故C项正确。冰熔化成水,水结成冰,都伴随着能量的转移,不是自发进行的,没有违背热力学第二定律,故D项错误。
3.(多选)关于热传递的说法正确的是( )
A.热量只能从高温物体传递到低温物体,而不能从低温物体传递到高温物体
B.热量只能从低温物体传递到高温物体,而不能从高温物体传递到低温物体
C.热量既可以从高温物体传递到低温物体,又可以从低温物体传递到高温物体
D.热量会自发地从高温物体传递到低温物体,而不会自发地从低温物体传递到高温物体
答案：CD
解析：热量可以自发地从高温物体传到低温物体,但不能自发地从低温物体传到高温物体,若从低温物体传到高温物体,势必会引起其他变化,选项C、D正确。
4.(多选)下列关于热机的说法正确的是( )
A.热机是把内能转化为机械能的装置
B.热机是把机械能转化为内能的装置
C.只要对内燃机不断进行革新,它就可以把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能
D.即使没有漏气,也没有摩擦等能量损失,内燃机也不能把内能全部转化为机械能
答案：AD
解析：由热机的定义可知A正确,B错误。内燃机工作时内能的损失有多种途径,所以内燃机不可能把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能,故D正确,C错误。
5.用两种不同的金属丝组成一个回路,接触点1插在热水中,接触点2插在冷水中,如图所示,电流计指针会发生偏转,这就是温差发电现象,这一实验是否违反热力学第二定律 热水和冷水的温度是否会发生变化 简述这一过程中能的转化情况。
答案：不违反热力学第二定律。热水温度降低,冷水温度升高。热水的内能一部分转化为电能,另一部分转化为冷水的内能。
解析：温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少,一部分转化为电能,一部分传递给冷水,不违反热力学第二定律。
