人教版高中物理选择性必修第三册第三章4热力学第二定律课件

4．热力学第二定律第三章

热力学定律整体感知·自我新知初探[学习任务]

任务1．了解传热、扩散现象、机械能与内能的转化等过程都具有方向性。知道具有方向性的过程是不可逆的。任务2．了解热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因。任务3．能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移反方向性问题，并能解决一些实际问题。任务4．了解能量与能源的区别以及能源的有限性。[问题初探]

问题1．什么叫可逆过程？什么叫不可逆过程？问题2．热现象的方向性含义是什么？问题3．既然能量守恒，为什么还要节约能源？问题4．气体向真空的自由膨胀可逆吗？[思维导图]探究重构·关键能力达成[链接教材]

一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？这说明扩散现象有什么特点？知识点一热力学第二定律提示：不能；扩散现象具有方向性，是不可逆的。1．热力学第二定律的克劳修斯表述(1)传热的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是________。(2)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有______。不可逆的方向性2．热力学第二定律的开尔文表述(1)热机①热机的工作分为两个阶段：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热机用于做功的热量一定____它从高温热库吸收的热量，即W＜Q。(2)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______。(3)热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是____的。内能机械能小于完全变成功方向性等价覆水难收；破镜难圆；水从高山流到河谷，不可能自己再返回高山；一滴墨水滴入一杯清水，会均匀地扩散开来，不可能再自动地凝成一滴墨水……问题1．这些现象说明了什么道理？问题2．热量能否从温度低的物体传递给温度高的物体？提示：1．自然界的与热现象有关的宏观自然过程不可能自发地逆向进行。2．能，但是需要第三方的介入。1．对热力学第二定律的理解(1)克劳修斯表述中“自发”的含义：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入，不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从高温物体传到低温物体。“自发”的方向是从高温物体指向低温物体。(2)开尔文表述中“不可能从单一热库吸收热量”的含义：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。即热机工作时须有高温热库和低温热库。(3)开尔文表述中“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两种表述是等价的，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。3．热力学过程方向性实例【典例1】

(对热力学第二定律的理解)(多选)下列现象中能够发生的是(

)A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体√√CD

[一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热，蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，都违背了热力学第二定律，故不能发生，A、B错误；泥、水分离是由于重力作用，能够发生，C正确；由热力学第二定律可知，电冰箱通电后把热量由低温物体传到高温物体是可以通过消耗电能的方式实现的，故能够发生，D正确。]【典例2】

(对热力学第二定律的理解)如图所示，两种不同的金属丝组成一个回路，接触头1置于热水杯中，接触头2置于冷水杯中，此时回路中电流计指针发生偏转，这是温差电现象。假设此过程电流做功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得(

)A．Q1＝W

B．Q1＞WC．Q1＜Q2

D．Q1＋Q2＝W√B

[根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他影响，所以从热水中吸收的热量Q1应该大于电流做的功W，即Q1>W，A错误，B正确；根据能量守恒定律和热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分是电能W，另一部分是冷水吸收的热量Q2，即Q1＝Q2＋W，C、D错误。]规律方法

应用热力学第二定律解决问题时的两个关键点(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不需要借助其他物体提供能量等。(2)“不产生其他影响”的含义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热库吸收热量全部用来做功，必须通过第三者的帮助，这里的帮助是指做功或提供能量等方式，否则是不可能实现的。【教用·备选例题】地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1

℃，将要放出5.8×1023J的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不可能制成的，其原因是(

)A．内能不可以转化成机械能B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律D．上述三种原因都不正确√C

[内能可以转化成机械能，如热机，选项A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，选项B错误；热力学第二定律告诉我们：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，选项C正确，D错误。]1．第一类永动机和第二类永动机的比较知识点二热力学第一定律和热力学第二定律的比较

第一类永动机第二类永动机特点不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响不可能制成的原因违背能量守恒定律不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律2．热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系

热力学第一定律热力学第二定律区别热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了凭空产生能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机热力学第二定律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都是热力学基本定律，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，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础【典例3】关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是(

)A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的√D

[第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，选项A、B错误；由热力学第一定律可知，W≠0，Q≠0时ΔU＝W＋Q可以等于零，选项C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但必然引起其他变化，选项D正确。]【典例4】

(多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的是(

)A．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减少B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的C．热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”√√√ABC

[一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，则Q＝0，W<0，根据ΔU＝W＋Q可知，气体的内能减少，故A正确；热力学第二定律表明，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确；热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成，故C正确；热力学第二定律可描述为“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”，故D错误。]1．能量的转移和转化具有方向性：在各种生产生活中，人们利用的各种形式的能最终都转化成____流散到周围的环境中。2．能量耗散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____________驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。3．能源：指具有______的容易利用的储能物质。知识点三能源是有限的内能自动聚集起来高品质水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石头制成，分上下两片，呈圆形。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磨盘和粮食等的内能。问题1．分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？问题2．这些内能最终流散到周围的环境中，但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？提示：1．做功。2．内能品质低。【典例5】抽水蓄能电站结构如图所示，抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水蓄能电站，下列说法正确的是(

)A．抽水蓄能的过程中，能量守恒B．放水发电的过程中，机械能守恒C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了√A

[抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，故A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为电能，机械能不守恒，故B错误；抽水蓄能、放水发电过程，总的能量保持不变，并不能使能量增多，故C错误；抽水蓄能电站能够合理调节用电高峰期和低谷期的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我们仍面临着能源危机，还需节约能源，故D错误。]应用迁移·随堂评估自测1．下列现象属于能量耗散的是(

)A．利用水能发电将水能转化为电能B．电池的化学能转化为电能C．电流通过电阻丝将电能转化为光能D．火炉把房子烤暖√243题号1D

[能量耗散是指其他形式的能转变为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的过程。本题中的电能、光能都可以重新收集并加以利用。火炉把房子烤暖使燃料的化学能转变成内能并流散在周围的环境中，难以重新收集并加以利用，是能量耗散，故本题选D。]243题号12．关于热力学第二定律，下列说法不正确的是(

)A．第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律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．热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体D．热机的效率不可能达到100%23题号14√A

[第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律，并没有违背热力学第一定律，故A错误；自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，即不可逆，故B正确；根据热力学第二定律知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，故C正确；热力学第二定律可表述为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，所以热机效率不可能达到100%，故D正确。]23题号143．将一件裙子放进死海，3年后成了一件精美的艺术品。其形成原因是海水中的盐，不断在衣服表面结晶所产生的。根据这一现象下列说法不正确的是(

)A．结晶过程看似是自发的，其实要受到环境的影响B．结晶过程是无序向有序转变的过程C．盐在溶解的过程中熵是增加的D．这件艺术品被精心保存在充满惰性气体的密闭橱窗里，可视为孤立系统，经过很长时间后，该艺术品的熵可能减小23题号41√D

[结晶过程不是自发的，通常是由于水温降低或水的蒸发引起，受到环境的影响，是由无序向有序的转变过程，故A、B正确；盐在溶解是固态变为液态，是自发过程，自发过程是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，即熵增加，故C正确；孤立系统的熵永不减小，故D错误。本题选错误项，故选D。]23题号414．(2022·广东卷)利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程________(选填“是”或“不是”)自发过