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2019-2020年高中物理 第十章 熱力學定律 第4講 熱力學第二定律學案 新人教版選修3-3 [目標定位]　1.通過自然界中客觀過程的方向性，了解熱力學第二定律.2.了解熱力學第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質.3.了解什么是第二類永動機，知道為什么它不能制成. 一、熱力學第二定律 1．一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的．如物體間的傳熱、氣體的膨脹、擴散……都有特定的方向性． 2．反映宏觀自然過程方向性的定律就是熱力學第二定律． 二、熱力學第二定律的兩種表述 1．克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體． 2．開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響． 三、熱機 1．熱機的效率η：熱機輸出的機械功與燃料產生的熱量的比值，用公式表示為η＝.熱機的效率不可能達到100%. 2．第二類永動機：只有單一熱源，從單一熱源吸收熱量，可以全部用來做功的熱機叫第二類永動機，它不違背能量守恒定律，但違背熱力學第二定律，所以不能實現． 一、宏觀過程的方向性 1．熱傳導具有方向性：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，結果使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高． 2．氣體的擴散現象具有方向性：兩種不同的氣體可以自發(fā)地進入對方，最后成為均勻的混合氣體，但這種均勻的混合氣體，決不會自發(fā)地分開，成為兩種不同的氣體． 3．機械能和內能的轉化過程具有方向性：物體在水平面上運動，因摩擦而逐漸停止下來，但絕不可能出現物體吸收原來傳遞出去的熱量后，在地面上重新運動起來． 4．氣體向真空膨脹具有方向性：氣體可自發(fā)地向真空容器膨脹，但絕不可能出現氣體自發(fā)地從容器中流出，容器變?yōu)檎婵眨? 5．在整個自然界中，無論有生命的還是無生命的，所有的宏觀自發(fā)過程都具有單向性，都有一定的方向性，都是一種不可逆過程． 例1　下列說法正確的是(　　) A．熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 B．熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 C．熱傳遞是有方向性的 D．氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的 答案　ACD 解析　如果是自發(fā)地進行，熱量只能從高溫物體傳到低溫物體，但這并不是說熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，只是不能自發(fā)地進行，在外界條件的幫助下，熱量也能從低溫物體傳到高溫物體，A、C對，B錯；氣體向真空中膨脹的過程也是不可逆，具有方向性的，D對． 借題發(fā)揮　兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高，這個過程是自發(fā)進行的，不需要任何外界的影響或者幫助，有時我們也能實現熱量從低溫物體傳給高溫物體，如電冰箱，但這不是自發(fā)地進行的，需要消耗電能，其實自然界中所有的熱現象都是具有單向性的． 二、熱力學第二定律和第二類永動機 1．克勞修斯表述是按熱傳導的方向性表述的．熱量可以由低溫物體傳到高溫物體但不能是自發(fā)的，如：冰箱、空調． 2．開爾文表述是按照機械能與內能轉化過程的方向性來表述的．不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功，而是這樣做的結果，一定伴隨著其他變化或影響． 3．這兩種表述看似毫無聯(lián)系，其實是等價的，可以從一種表述導出另一種表述． 4．熱力學第二定律揭示了自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性． 5．第二類永動機不可能制成，它也是熱力學第二定律的一種表述形式． 雖然第二類永動機不違反能量守恒定律，但大量的事實證明，在任何情況下熱機都不可能只有一個熱源，熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫熱源． 例2　根據熱力學第二定律可知，下列說法中正確的是(　　) A．不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化 B．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機是可以實現的 C．制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中，而不引起其他變化 D．不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化 答案　AD 解析　熱力學第二定律揭示了與熱現象有關的物理過程的方向性，機械能和內能的轉化過程具有方向性，機械能可以全部轉化為內能，而內能要轉化為機械能必須借助外部的幫助，即會引起其他變化，A選項正確，B選項錯誤；熱傳遞過程也具有方向性，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體，必然要引起其他變化(外界對系統(tǒng)做功)，故C選項錯誤，D選項正確． 借題發(fā)揮　(1)一切物理過程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理過程不一定均能實現． (2)熱力學第二定律的關鍵在于“自發(fā)性”和“方向性”． 例3　第二類永動機不可能制成的原因是(　　) A．違背了能量守恒定律 B．熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體 C．機械能不能全部轉化為內能 D．內能不能全部轉化為機械能而不引起其他變化 答案　D 解析　第二類永動機的設想并不違背能量守恒定律，但是違背了熱力學第二定律，所以不可能制成． 宏觀過程的方向性 1．下列哪個過程具有方向性(　　) A．熱傳導過程 B．機械能向內能的轉化過程 C．氣體的擴散過程 D．氣體向真空中的膨脹 答案　ABCD 解析　這四個過程都是與熱現象有關的宏觀過程，根據熱力學第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性． 熱力學第二定律和第二類永動機 2．根據熱力學第二定律，下列判斷正確的是(　　) A．電流的能不可能全部變?yōu)閮饶? B．在火力發(fā)電機中，燃氣的內能不可能全部變?yōu)殡娔? C．熱機中，燃氣內能不可能全部變?yōu)闄C械能 D．在熱傳導中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體 答案　BCD 解析　根據熱力學第二定律可知，凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮饶?由焦耳定律可知)，而內能不可能全部變成電流的能，而不產生其他影響．機械能可全部變?yōu)閮饶?，而內能不可能全部變成機械能．在熱傳導中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體． 3．關于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列論述正確的是(　　) A．熱力學第一定律指出內能可以與其他形式的能相互轉化，而熱力學第二定律則指出內能不可能完全轉化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的 B．內能可以全部轉化為其他形式的能，只是會產生其他影響，故兩條定律并不矛盾 C．兩條定律都是有關能量的轉化規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質區(qū)別 D．其實，能量守恒定律已經包含了熱力學第一定律和熱力學第二定律 答案　B 解析　熱力學第一定律揭示了內能與其他形式能量之間的轉化關系，是能量守恒定律在熱學中的具體體現．熱力學第二定律則進一步闡明了內能與其他形式能量轉化時的方向性，二者表述的角度不同，本質不同，相互補充，并不矛盾，故選項C、D錯誤，選項B正確；內能在一定條件下可以全部轉化為機械能，熱量也可以由低溫物體傳遞到高溫物體，但是要引起其他變化，如電冰箱制冷機工作還要消耗電能，故選項A錯誤． 4．關于熱現象和熱學規(guī)律，下列說法中正確的是(　　) A．隨著低溫技術的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并達到絕對零度，最終實現熱機效率100% B．熱量是不可能從低溫物體傳遞給高溫物體的 C．第二類永動機遵從能量守恒定律，故能制成 D．用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做功2.0105 J，同時空氣向外界放出熱量1.5105 J，則空氣的內能增加了5104 J 答案　D 解析　由熱力學第二定律知，B、C錯；絕對零度不可能達到，A錯；由熱力學第一定律知D正確. (時間：60分鐘) 題組一　宏觀過程的方向性 1．關于熱傳導的方向性，下列說法正確的是(　　) A．熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體 B．熱量能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體 C．在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體 D．熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體 答案　AC 解析　在有外力做功的情況下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體，但熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體． 2．下列說法中正確的是(　　) A．一切涉及熱現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現的 C．由熱力學第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進行 D．一切物理過程都不可能自發(fā)地進行 答案　AC 解析　能量轉移和轉化的過程都是具有方向性的，A對；第二類永動機不違背能量守恒定律，但是不能實現，B錯；在熱傳遞的過程中，能量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但其逆過程不可能自發(fā)地進行，C對，D錯． 3．以下說法正確的是(　　) A．熱量不僅可以從高溫物體傳到低溫物體，也可自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 B．空調等設備就是利用了熱傳導的方向性 C．無論采用什么方法，都不可能把熱量從低溫物體傳遞給高溫物體 D．熱量能自發(fā)地傳遞的條件是必須存在溫度差 答案　D 解析　熱傳導具有方向性，熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳到低溫物體，也可以從低溫物體傳到高溫物體，但不能自發(fā)地進行，故A錯；空調等可以將熱量由低溫物體傳到高溫物體，但消耗了電能，故B、C錯． 題組二　熱力學第二定律的理解 4．關于熱力學定律和分子動理論，下列說法中正確的是(　　) A．我們可以利用高科技手段，將流散到周圍環(huán)境中的內能重新收集起來加以利用而不引起其他變化 B．利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機，將海水的一部分內能轉化為機械能，這在原理上是可行的 C．在分子力作用范圍內，分子力總是隨分子間距離的增大而減小 D．溫度升高時，物體中每個分子的運動速率都將增大 答案　B 解析　由熱力學第二定律可知，A錯誤，B正確；由分子間作用力與分子間距的關系可知，C項錯誤；溫度升高時，物體中分子平均動能增大，但并不是每個分子的動能都增大，即并不是每個分子的運動速率都增大，故D項錯誤． 5．用兩種不同的金屬絲組成一個回路，接觸點1插在熱水中，接觸點2插在冷水中，如圖1所示，電流計指針會發(fā)生偏轉，這就是溫差發(fā)電現象．關于這一現象的正確說法是(　　) 圖1 A．這一實驗不違背熱力學第二定律 B．在實驗過程中，熱水溫度降低，冷水溫度升高 C．在實驗過程中，熱水的內能全部轉化成電能，電能則部分轉化成冷水的內能 D．在實驗過程中，熱水的內能只有部分轉化成電能，電能則全部轉化成冷水的內能 答案　AB 解析　自然界中的任何自然現象或過程都不違反熱力學定律，本實驗現象也不違反熱力學第二定律，A正確；整個過程中能量守恒且熱傳遞有方向性，B正確；在實驗過程中，熱水中的內能除轉化為電能外，還升高金屬絲的溫度，內能不能全部轉化為電能；電能除轉化為冷水的內能外，還升高金屬絲的溫度，電能不能全部轉化為冷水的內能，C、D錯誤． 6．圖2為電冰箱的工作原理示意圖．壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內、外的管道中不斷循環(huán)．在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量，經過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外．下列說法正確的是(　　) 圖2 A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內傳到冰箱外 B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能 C．電冰箱的工作原理不違反熱力學第二定律 D．電冰箱的工作原理違反熱力學第二定律 答案　BC 解析　根據熱力學第二定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，要想使熱量從低溫物體傳到高溫物體必須借助于其他系統(tǒng)做功，A錯誤，B正確．電冰箱的工作原理不違反熱力學第二定律，C正確，D錯誤．故選B、C. 7．關于空調機，下列說法正確的是(　　) A．制冷空調機工作時，熱量從低溫物體傳到高溫物體 B．制暖空調機工作時，熱量從高溫物體傳到低溫物體 C．冷暖空調機工作時，熱量既可以從低溫物體傳到高溫物體，也可以從高溫物體傳到低溫物體 D．冷暖空調機工作時，熱量只能從低溫物體傳到高溫物體 答案　AD 解析　空調機工作時，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，因為這里有外界做功． 題組三　綜合應用 8．下列說法中正確的是(　　) A．功可以完全轉化為熱量，而熱量不可以完全轉化為功 B．熱機必須是具有兩個熱庫，才能實現熱功轉化 C．熱機的效率不可能大于1，但可能等于1 D．熱機的效率必定小于1 答案　D 解析　開爾文表述沒有排除熱量可以完全轉化為功，但必然要產生其他變化，比如氣體等溫膨脹，氣體內能完全轉化為功，但氣體體積增大了，A錯誤；開爾文表述指出，熱機不可能只有單一熱庫，但未必就是兩個熱庫，可以具有兩個以上熱庫，B錯誤；由η＝可知，只要Q2≠0，η≠1，如果Q2＝0，則低溫熱庫不存在，違背了開爾文表述，故C錯誤，D正確． 9．如圖3所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片．輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動．離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動．下列說法正確的是(　　) 圖3 A．轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量 B．轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身 C．轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高 D．葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量 答案　D 解析　輕推轉輪后，葉片開始轉動，由能量守恒定律可知，葉片在熱水中吸收的熱量一部分釋放到空氣中，另一部分使葉片在熱水中膨脹做功，所以葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量，D正確． 10．關于熱力學定律，下列說法正確的是(　　) A．為了增加物體的內能，必須對物體做功或向它傳遞熱量 B．對某物體做功，必定會使該物體的內能增加 C．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣? D．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體 E．功轉變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程 答案　ACE 解析　由ΔU＝W＋Q可知做功和熱傳遞是改變內能的兩種途徑．它們具有等效性，故A正確，B錯誤；由熱力學第二定律可知，可以從單一熱源吸收熱量，使之全部變?yōu)楣Γ珪a生其他影響，故C正確；熱量只是不能自發(fā)的從低溫物體傳向高溫物體，則D錯誤；一切與熱現象有關的宏觀過程都是不可逆的，則E正確． 11．熱力學第二定律常見的表述有兩種： 第一種表述：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化； 第二種表述：不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化． 圖4甲是根據熱力學第二定律的第一種表述畫出的示意圖：外界對制冷機做功，使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體．請你根據第二種表述完成示意圖乙．根據你的理解，熱力學第二定律的實質是_____________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 圖4 答案　見解析 解析　示意圖如圖所示． 一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性．