第三章第4节热力学第二定律（原卷版）

选择性必修三学案第三章热力学定律第节热力学第二定律4

一、新课标要求通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律

1.,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为什么第二类永动机不能制造2成功.能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，并能解决一些实际问题

3.了解能量耗散、能源和环境4

二、科学素养要求.物理观念知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降1低的原因，能解释相关现象,科学思维理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转2化、转移及方向性问题，提高分析推理能力.科学探究通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到的实质，学会与他人交流3100%合作，提高探索科学的能力.科学态度与责任学会科学家探索问题的方法，养成实事求是的科学态度，培养学习科学的4兴趣

三、教材研习要点

一、热力学第二定律克劳修斯表述热量不能自发地

①从低温物体传到高温物体该表述阐述的是传热的方向性开尔文表述不可能从单一热库吸收热量，使之完全

②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要点

二、能量耗散和能源是有限的分散在环境中的内能不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质

③下降了虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源【自主思考】

①“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”这一说法是否正确？为什么？

②如图所示为国内某柴油机厂所产的单缸柴油机，图中上方部分为水箱水箱所起的作用是什么柴油机工作时，内能可以全部转化为机械能吗？为什么？

③既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？

四、名师点睛热力学第二定律的理解传热的方向性1

①热量可以自发地由高温物体传给低温物体

②热量不能自发地由低温物体传给高温物体

③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的热机2

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内能第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能

②热机的效率热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值用公式表示T1=5

五、互动探究探究点

一、热力学第二定律的理解情境探究地球上有大量的海水，它的总质量约为有人设想让这些海水的温度降低它

1.

1.4X1018301C,将放出

5.8x1023J的热量，若全部用来发电，这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量这是一件既经济又没有环境污染的事情，这一想法违背能量守恒定律吗？1这个设想能成功吗？为什么？

2.电冰箱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，通过压缩机的工作可2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电冰箱“将热量从低温物体传到高温物体”是否违背热力学第二定律？1夏天，将房间一台正在工作的电冰箱的门打开，这是否可以降低室内的平均温度？为什么？2探究归纳.热力学第二定律的理解1“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从1高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有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，它是靠电流做功把热量从低温处“搬”到高温处的“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2产生热力学方面的影响如吸热、放热、做功等热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性如机械能可以3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，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性适用条件只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程而不适用4于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙热力学第二定律的两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；5如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的.热力学第一定律与第二定律的比较2项目热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能它指出自然界中出现的宏观过程是问题改变量三者间的定量关系有方向性的机械能和内当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内内能不可能在不引起其他变化的情能的转化能况下全部转化为机械能热量的传递热量可以从高温物体自发地传到低温物体说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式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联系所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础探究应用【典例】对热力学第一定律和第二定律的理解.，下列说法正确的是（）热量不能由低温物体传递到高温物体A.外界对物体做功，物体的内能必定增加B.内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化C.机械能不能全部转化为内能D.【迁移应用】（多选）下列哪些过程具有方向性（）1,热传递过程A.动能向势能的转化过程B.气体的扩散过程C.气体向真空中的膨胀过程D.（多选）根据热力学第二定律，下列说法中正确的是（）

2.不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不引起其他变化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B.他变化的热机是可以实现的制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化C.在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能D.探究点

二、热力学第二定律的应用情境探究如图是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题

1.制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？1热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？2探究归纳.热机1热机把内能转化成机械能的一种装置1如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能热机的工作原理2工作物质从热库吸收热量明,推动活塞做功小，然后排出废气，同时把热量散发到冷Q2凝器或大气中根据能量守恒定律有Qi=+22热机的效率3把热机做的功”与它从热库中吸收的热量的比值叫作热机的效率，用表示，有Qi nT]=WOQi因为*=〃+，所以〃，Q2Ql nIO这说明热机不可能把吸收的热量全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中特别提示

①热机必须有热源和冷凝器4

②热机不能把它吸收的全部热量转化为机械能

③因热机工作时，总要向冷凝器或大气散热，不可避免地要释放一部分热量所以总有22,QiWQ

④热机的效率不可能达到即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不100%,可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量要散发到冷凝器或大气中.几个概念的理解2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，1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，从而可以对外做功其他影响指除了从单一热库吸收热量以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低2温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化不是不能从单一热库吸收热量而全部对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动传热是不可能的（）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3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，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除【教材拓展】烯与嫡增加原理燧是反映一个系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能的大小一样系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的燧越大系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行从烯的意义上说，系统自发变化时总是向着蜡增大的趋势发展所以，一个孤立系统总是从端小的状态向蜡大的状态发展，这就是熠增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式探究应用【典例】下列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是（）大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开A.将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自B.动分开冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来C.随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到D.100%【迁移应用】,下列说法正确的是（）1功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功A.热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化B.热机的效率不可能大于但可能等于C.1,1热机的效率必定小于D.1（多选）如图中汽缸内盛有定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与

2.汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，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,全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律B.D.气体是从单一热源吸热,全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律C.（多选）对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是（）

3.系统的总烯只能增大，不可能减小A.系统的总增可能增大，可能不变，还可能减小B.系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展C.系统逐渐从比较无序的状态向更有序的状态发展D.（多选）下列关于晶体熔化的说法中正确的是（）

4.在晶体熔化的过程中，温度不变，分子热运动的平均速率不变，则无序程度不变A.晶体熔化时，由分子的平衡位置在空间较为规则排列，变为无序排列，则无序度增大B.在晶体熔化的过程中，燧将保持不变C.在晶体熔化的过程中，端将增加D.探究点

三、能源是有限的情境探究.水磨是中国民间用水力带动的石磨水磨用石制成，分上下两片，呈圆形流动的水1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（）分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？1（）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2加以利用，可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？探究归纳能量耗散的理解各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么

1.巨大，它也只能使地球、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•从2可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量所以，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，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.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方向性3,能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源4探究应用【典例】（多选）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流散的能量重新收集、加以利用下列关于能量耗散的说法正确的是（）能量耗散说明能量不守恒A.能量耗散不符合热力学第二定律B.能量耗散过程中能量仍守恒C.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的方向性D.【解题感悟】能量与能源的区别（）能量是守恒的，既不会增加也不会减少1（）能源是能够提供可利用能量的物质2（）能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源3【迁移应用】（多选）下列关于能源的说法中正确的是（）

1.能源是取之不尽，用之不竭的A.能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等B.大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源C.核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大D..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（）2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A.能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的内能可以全部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B.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C.其实，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D.（上海松江二中高二期中）下列说法中正确的是（）

3.2021在一房间内，打开冰箱门，再接通电源，过一段时间后，室内温度就会降低A.从目前的理论看来，只要实验设备足够先进，可以使温度降低到-汽B.273在对手机充电的过程中，提供的电能比电池得到的化学能要多C.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部转化为机械能而不引起其他变化D.（辽宁大连高二期中）下列说法中正确的是（）

4.2021自然界的能量的总和是守恒的，所以节约能源是毫无意义的A.电源是通过静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置B.电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的C.能量耗散表明自然界的能量总和在不断减少D..用隔板将一绝热容器隔成和两部分，中有一定质量的理想气体，为真空（如图甲所54B4B示），现把隔板抽去，中的气体自动充满整个容器（如图乙所示），这个过程称为气体的自A由膨胀，下列说法正确的是（）A RA B甲乙自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动A.自由膨胀前后，气体的压强不变B.自由膨胀前后，气体的温度不变C.容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到部分D.4。