3.4 热力学第二定律（学案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第三章 热力学定律
第4节 热力学第二定律
学习目标
1.了解热传递过程的方向性。
2.知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质。
3.知道什么是第二类永动机，知道为什么第二类永动机不可能制成。
4.了解什么是能量耗散。
重点难点
重点
热力学第二定律的两种常见表述。
难点
1.热力学第二定律的开尔文表述。
2.自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
自主探究
1.热传递的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是 。
2.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。该阐述的是传热的 。
3.热机：
(1)热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质
的 第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成 。
(2)热机的效率η：热机输出的机械功与 的比值，用公式表示为方热机的效率不可能达到100%。
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 ，而不产生其他影响。该表述阐述的是机械能与内能转化的 。
5.第二类永动机：
(1)定义：只从 热库吸收热量，使之完全变成功而不引起其他变化的热机。
(2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违反 ，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地要将一部分热量传给低温热库。
6.能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为 ，流散到环境中而无法重新收集起来加以利用的现象。能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有 。
答案
1.不可逆的 2.方向性 3.(1)内能 机械能 (2)燃料产生的热量 4.完全变成功 方向性
5.(1)单一 (2)能量守恒定律 6.内能 方向性
预习检测
1.判断下列说法的正误。
(1)大量分子无规则的热运动能够自发转变为有序运动。 （ ）
(2)热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程。 （ ）
(3)根据能量守恒定律，能源危机是不存在的。 （ ）
(4)能量耗散是指散失在环境中的内能福质降低，再也无法被人类利用。 （ ）
2.下列说法中正确的是 （ ）
A.在自然条件下，热传递的过程是不可逆的
B.热量不可能由高温物体传递给低温物体
C.气体的扩散过程具有方向性
D.一切形式的能量转化都不具有方向性
3.既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源
答案
1.(1)× (2)√ (3)× (4)√ 2.AC
3.能量是守恒的，但能量耗散却导致能量可利用的品质降低了，高品质的能量最终转化为低品质的能量，因而会产生能源危机，我们需要节约能源。
探究思考
【探究一】理解热力学第二定律
在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不可能”“不产生其他影响”的内涵：
(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，且在传递过程中不会对其他物体产生影响或不需借助其他物体提供能量等。
(2)关于“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，所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。
(3)“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。
【探究二】能源耗散
能量转化过程中产生的内能，流散到周围环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作能量耗散。能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。
知识梳理
热力学第二定律的两种表述
1.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(按照热传递的方向性来表述)。
2.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。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。(按照机械能与内能转化的方向性来表述)热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性(自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性)，是独立于热力学第一定律的一个重要的自然规律。不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
随堂训练
1.关于热力学定律,下列说法中正确的是( )
A.在一定条件下物体的温度可以降到绝对零度
B.第二类永动机和第一类永动机一样,都违背了能量守恒定律
C.热机的效率可以达到100%
D.在热传递中,热量不可能自发地从低温物体传给高温物体
2.下列关于做功和传热的说法中正确的是( )
A.做功和传热在改变物体内能上是等效的 B.只要外界对物体做功，物体的内能就一定改变
C.传热的条件是物体间存在内能差 D.做功和传热改变物体内能的实质是一样的
3.关于第二类永动机，下列说法中正确的是( )
A.它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律
B.它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律
C.它不违反热力学第一定律，但违反热力学第二定律
D.它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律
4.如图所示，用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在一杯热水中，接触点2插在一杯冷水中，此时灵敏电流计的指针会发生偏转，这就是温差发电现象，根据这一现象，下列说法中正确的是( )
A.这一过程违反了热力学第二定律 B.这一过程违反了热力学第一定律
C.热水和冷水的温度将发生变化 D.这一过程违反了能量守恒定律
答案以及解析
1.答案：D
解析：A、绝对零度是一切低温物体的极限,不可能达到,故A错误;B、第一类永动机违背了能量守恒定律,第二类永动机违背了热力学第二定律,但并不违反能量守恒定律,故B错误;C、根据热力学第二定律,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,即热机的效率不能达到100%,故C错误;D、由热力学第二定律可知,在热传递中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体,故D正确;故选:D。
2.答案：A
解析：做功和传热在改变物体内能上是等效的，但它们的本质不同，做功是其他形式的能和内能之间的转化，而传热是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移，故A正确，D错误；外界对物体做了多少功，物体的能量就改变多少，但内能却不一定改变，故B错误；传热的条件是存在温度差，而不是存在内能差，故C错误。
3.答案：C
解析：第一类永动机违反了热力学第一定律，即能量守恒定律，不可能实现；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，即能量的转化具有方向性，故C正确.
4.答案：C
解析：热力学第二定律由实际热现象总结而来，任何宏观的实际热现象都符合热力学第二定律，故A错误；吸、放热和做功均会改变内能，该过程没有违反热力学第一定律，故B错误；在实验过程中，热水内能减少，一部分转移到低温物体，一部分转化为电能，则热水一定会降温，冷水一定会升温，故C正确；在实验过程中，热水的内能部分转化成电能，部分传递给冷水，符合能量守恒定律，故D错误.
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