《学霸笔记 同步精讲》第3章 热力学定律 3.热力学第二定律（课件）高中物理教科版选择性必修3

(共34张PPT)
3.热力学第二定律
第三章
2026
课 标 定 位
1.通过自然界中热传递的方向性等实例,初步了解热力学第二定律。
2.知道热力学第二定律的两种不同表述及实质。
3.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。
4.了解什么是第二类永动机,能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因。
素 养 阐 释
物理观念:热力学第二定律的两种表述。
科学思维:与热现象有关的宏观过程的方向性。
科学态度与责任:尝试运用热力学第二定律解决一些实际问题(冰箱、空调等),培养将物理知识应用于现实生活的能力;根据对能源的初步认识,增强节约能源的意识。
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
自主预习·新知导学
一、自然界中宏观过程的方向性
1.事例:冰块放到热水中,冰块融化,热水降温。
结论:热传递具有方向性。
2.事例:红墨水滴入清水中后自发地在清水中扩散,但分散的红墨水不会自发地聚集成红墨水滴;分离的N2分子和O2分子会自动地相互扩散混合,但不能自发地分开;气体可自发地膨胀到真空,但不能自发地压缩。
结论:扩散现象具有方向性。
3.事例:运动物体的动能能够全部转化为内能,而这些内能不能全部转化为动能使物体运动起来。
结论:机械能与内能之间的转化具有方向性。
二、热力学第二定律的表述
1.克劳修斯表述:热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体。阐述的是热传递的方向性。
2.开尔文表述:不可能从单一热源吸收热量,使之全部变成功,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。
3.热传递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”
提示:不能。“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,但是也产生了其他影响,即外界做了功。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)热传递的过程是具有方向性的。(　　)
(2)第二类永动机违背了热力学第二定律。(　　)
(3)科技发达后,热机的效率可以达到100%。(　　)
(4)机械能可以全部转化为内能,而内能不能自发地全部转化为机械能。
(　　)
√
×
√
√
2.请举出日常生活中的一些不可逆过程。
提示:(1)破镜不能重圆。
(2)水从高山流到河谷,不可能自己再返回高山。
(3)一滴墨水滴入一杯清水中,墨水扩散均匀后,不可能再自动地凝聚成一滴墨水。
合作探究·释疑解惑
知识点一
热力学第二定律
【问题引领】
人在进行各种活动时,大量的体能会散失掉。如何收集人在活动时散失的体能,是人类开发新能源的一个研究方向。有一种具有充电功能的鞋子,这种鞋子的关键部分在于鞋跟,在其内安装一种特殊的弹性聚合物材料层,它的上、下两面分别用导线与一颗内置微型电池的两个电极相连。行走时,弹性材料层受到挤压与释放的反复作用,其两极之间的距离不断变化,从而产生电能。若这种技术不断提高,能否把人活动时所有散失的体能收集起来转化为电能,并说明理由。
提示:根据热力学第二定律,不可能从单一热源吸收热量使之完全转化为有用的功而不产生其他影响。所以即使这种技术不断提高,也不能把人活动时所有散失的体能收集起来转化为电能。
【归纳提升】
1.对热力学第二定律的理解
在热力学第二定律的表述中,正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。
(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程,如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程,它不受外界干扰。在热传递过程中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体,却不能自发地从低温物体传向高温物体。要将热量从低温物体传向高温物体,必须有“对外界的影响或有外界的帮助”,就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例,它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”到高温处的。
(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。
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,进而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。
3.对热力学第二定律的两种表述等价性的证明
两种表述是等价的,即一个说法是正确的,另一个说法也必然是正确的;如一个说法是错误的,另一个说法必然是不成立的。
【典型例题】
【例题1】 对热力学第二定律的理解,下列说法正确的是(　　)
A.热量不能由低温物体传递到高温物体
B.外界对物体做功,物体的内能必定增加
C.第二类永动机不可能制成,是因为违反了能量守恒定律
D.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
答案:D
解析:根据热力学第二定律,热量不能自发地由低温物体传递到高温物体,但在一定条件下,热量可以由低温物体传递到高温物体,例如电冰箱的工作过程,故选项A错误;根据热力学第一定律,物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素,所以选项B错误;第二类永动机不违反能量守恒定律,而违反了热力学第二定律,选项C错误;选项D是热力学第二定律的表述形式之一,是正确的。
对热力学第二定律理解的两点说明
(1)理解热力学第二定律的关键在于“自发地”和“不引起其他变化”。
(2)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,只不过前者能自发地进行,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】 (多选)下列说法正确的是(　　)
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D.一切物理过程都不可能自发地进行
答案:AC
解析:热力学第二定律指出了热现象的方向性,A正确;不违反能量守恒定律,但违反热力学第二定律的物理过程也不可能实现,B错误;热力学第二定律反映宏观自然过程的方向性,C正确,D错误。
【问题引领】
知识点二
第二类永动机
汽车和轮船上用的汽油机、柴油机,火力发电厂和核电站用的蒸汽轮机等都是热机。右图为汽车的发动机,请思考并回答下列问题。
(1)热机的工作过程是怎样的
(2)热机工作时,汽缸(燃烧室)是它的高温热源,低温热源在哪里
(3)第二类永动机为什么不可能制成
提示:(1)热机从高温热源吸收热量,推动活塞做功,然后向低温热源放出热量。
(2)汽车发动机工作时低温热源就是汽缸外界空间中的大气。
(3)热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化,进一步揭示了任何宏观自然过程都具有方向性。告诫人们第二类永动机不可能制成。
【归纳提升】
1.热机的特点
(1)热机不仅仅只有一个热源。
(2)热机的效率不可能达到100%。
2.第二类永动机不可能制成的原因
违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。
3.第二类永动机不能制成的意义
(1)机械能可以全部转化成内能,但内能不能全部转化成机械能,而不产生其他影响。
(2)机械能和内能的转化具有方向性。
4.两类永动机的比较
分类 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(或只给予很小的能量启动后,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(或只有一个热源,实现内能与机械能的转化)
不可能 的原因 违背了热力学第一定律 违背了热力学第二定律
【典型例题】
【例题2】 (多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是(　　)
A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能
D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
答案:AD
解析:根据第二类永动机的定义可知选项A正确。第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,所以选项B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能,选项C错误,选项D正确。
虽然第二类永动机不违反能量守恒定律,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源,热机要不断地把吸取的热量变为有用的功,就不可避免地将一部分热量传给低温热源。所以第二类永动机不可能制成,因为它违背了热力学第二定律。
【变式训练2】 (多选)下列说法正确的是(　　)
A.第一类永动机不可能制成,因为它违背了热力学第一定律
B.第二类永动机不可能制成,因为它违背了热力学第一定律
C.热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的
D.热力学第二定律的两种表述是等价的
答案:ACD
解析:第一类永动机违背了热力学第一定律,第二类永动机违背了热力学第二定律,故选项A正确,B错误;热力学第一定律与热力学第二定律相辅相成,互相独立,选项C正确;热力学第二定律的两种表述是等价的,选项D正确。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(热力学第二定律)根据热力学第二定律判断,下列说法正确的是(　　)
A.功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功
B.热可以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
C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的
D.随着技术的进步,热机的效率可以达到100%
答案:C
解析:根据热力学第二定律,功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功,而不引起其他变化,故A错误;根据热力学第二定律,热量能够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,故B错误;根据热力学第二定律可知,宏观热现象具有方向性,气体向真空的自由膨胀是不可逆的,故C正确;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D错误。
2.下列说法中,能够发生且不违背热力学第二定律的是(　　)
A.一杯热茶自然放置,茶会自动变得更热
B.电冰箱正常工作时把箱内低温物体的热量传递到箱外高温物体
C.只要对蒸汽机不断革新,它就可以把蒸汽的内能全部转化成机械能
D.利用降低海水温度放出大量的热量来发电,从而解决能源短缺的问题
答案:B
解析:热传递具有方向性,热量能自发地从高温物体传到低温物体,故一杯热茶自然放置,茶会自动变得凉,不会自动变得更热,因为违背热力学第二定律,故A错误;电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体,此过程中消耗了电能,所以不违背热力学第二定律,能发生,故B正确;蒸汽机的能量损失不可避免,不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能,违背了热力学第二定律,不能发生,故C错误;根据热力学第二定律,不可能从单一热源吸收热量并转化为功而不引起其他的变化,利用降低海水温度放出大量的热量来发电,降低海水温度的过程,消耗的能源更多,不能解决能源短缺的问题,故D错误。
3.(永动机)关于永动机,下列说法正确的是(　　)
A.随着科技的不断发展,永动机是可以制成的
B.第一类永动机违反了热力学第二定律
C.第二类永动机违反了热力学第二定律
D.永动机指的是在摩擦力趋于零的条件下一直运动的机器,它不需要对外做功
答案:C
解析:第一类永动机违反了热力学第一定律,不可能实现,第二类永动机违反了热力学第二定律。这两类永动机都不可能制成,故A、B、D错误,C正确。
4.(热力学定律)(多选)关于热力学定律,下列说法正确的是(　　)
A.物体吸收热量,内能一定增加
B.可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功
C.不可能使热量从低温物体传向高温物体
D.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
答案:BD
解析:做功和热传递是改变物体内能的两种方法,物体吸收热量,若同时对外做功,内能不一定增加,故A错误;根据热力学第二定律,在外界的影响下,可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功,故B正确;热量不能自发从低温物体传向高温物体,但在一定的条件下热量可以从低温物体传向高温物体,如空调,故C错误;根据热力学第二定律,功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程,故D正确。
5.(永动机)如图所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展而“划水”,推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　)
A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
答案:D
解析:形状记忆合金从热水中吸收热量后,伸展划水时一部分热量转化为水和转轮的动能,另一部分释放到空气中,根据能量守恒定律可知只有D正确。