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2020-2021学年高中物理 第三章 热力学定律 4 热力学第二定律学案 新人教版选择性必修3

2020-2021学年高中物理 第三章 热力学定律 4 热力学第二定律学案 新人教版选择性必修3

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热力学第二定律

必备知识·素养奠基
一、热力学第二定律的克劳修斯表述
1.热传导的方向性:一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
2.热力学第二定律的克劳修斯表述:德国物理学家克劳修斯在1850年提出:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。热力学第二定律的克劳修斯表述,阐述的是传热的方向性。
二、热力学第二定律的开尔文表述
1.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)热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量。
2.开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,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)
关键能力·素养形成
一　热力学第二定律的应用
1.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,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。据报道,有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
2.其他影响:
(1)除了从单一热库吸收的热量以及所做的功以外的其他一切影响。
(2)除了从低温物体吸收热量、高温物体得到热量外,其他一切影响和变化。
3.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,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。
4.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,而不适用于少量的微观体系,也不能把它扩展到无限的宇宙。
【思考·讨论】
如图是热量在传递过程中的情景。

讨论:
(1)在自然过程中热量是如何传递的?
提示:热量由温度高的物体传递给温度低的物体,或由温度高的地方传递到温度低的地方。
(2)空调和冰箱是如何传递热量的?
提示:空调和冰箱可以通过电机做功,把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。
【典例示范】
(多选)下列关于宏观物体的热现象的说法中正确的是(　　)
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违背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
E.功转变为热的实际宏观过程是不可逆的
【解析】选A、C、E。热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但可以自发地从高温物体传到低温物体;并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现,故A、C正确,B、D错误;一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,故E正确。
【误区警示】对热力学第二定律理解的两个误区
(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体,不能由低温物体传到高温物体。
热量可以由高温物体传到低温物体,也可以由低温物体传到高温物体;但是,前者可以自发完成,而后者则必须有外界参与。
(2)误认为机械能可以完全转化为内能,而内能不能完全转化为机械能。
机械能可以完全转化为内能,内能也可以完全转化为机械能;但是,前者可以不产生其他影响,而后者一定会产生其他影响。
【素养训练】
(多选)用两种不同材料的金属丝组成一个回路,接触点1插在热水中,接触点2插在冷水中,如图所示,电流计指针会发生偏转,这就是温差发电现象。关于这一现象的正确说法是(　　)

A.这一实验不违背热力学第二定律
B.在实验过程中,热水温度降低,冷水温度升高
C.在实验过程中,热水的内能全部转化成电能,电能则部分转化成冷水的内能
D.在实验过程中,热水的内能只有部分转化成电能,电能则全部转化成冷水的内能
【解析】选A、B。自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律,本实验现象也不违反热力学第二定律,A正确;整个过程中能量守恒且传热有方向性,B正确;在实验过程中,热水中的内能除转化为电能外,还升高了金属丝的温度,内能不能全部转化为电能;电能除转化为冷水的内能外,还升高了金属丝的温度,电能不能全部转化为冷水的内能,C、D错误。
【补偿训练】
(多选)下列现象不可能发生的是(　　)
A.在一与外界绝热的房间内,将一台正在工作的电冰箱的门打开,能使该房间降温
B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能
C.一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来,物体的动能全部转化为内能
D.在热传导中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体
【解析】选A、B。在一与外界绝热的房间内,将一台正在工作的电冰箱的门打开,消耗了电能,产生了焦耳热,所以房间温度不仅不能降低还会升高,故A不可能发生;蒸汽机把蒸汽的内能不可能全部转化为机械能,转化过程中必然存在能量耗散,故B不可能发生;一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来,物体的动能全部转化为内能,C可能发生;在热传导中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体,D可能发生。
二　热机和第二类永动机
1.热机的特点:
(1)热机不仅仅只有一个热库。
(2)热机的效率不可能达到100%。
2.第二类永动机不能制成的原因: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)机械能可全部转化成内能,但内能不能全部转化成机械能。
(2)机械能和内能的转化过程具有方向性。
(3)两类永动机的比较。
第一类永动机: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)。
第二类永动机: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)。
【思考·讨论】
如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,请在图片基础上思考以下问题:

讨论:
(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?
(2)热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功?
提示:(1)不是。热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。
(2)否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功,剩余的释放到低温热库。
【典例示范】
在热学中,下列说法正确的是 (　　)
A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体
【解析】选A。不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,故A正确;从单一热库吸收热量而对外做功的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,故B错误;热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能,而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能,故C错误;热量能从高温物体传向低温物体,在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体。故D错误。
【素养训练】
1.(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
【解析】选A、D。根据第二类永动机的定义可知A正确,第二类永动机不违反能量守恒定律,而是违反热力学第二定律,所以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,C错误,D正确。
2.下列有关热学知识的论述正确的是(　　)
A.两个温度不同的物体相互接触时,热量既能自发地从高温物体传给低温物体,也可以自发地从低温物体传给高温物体
B.无论用什么方式都不可能使能量从低温物体向高温物体传递
C.第一类永动机违背能的转化和守恒定律,第二类永动机不违背能的转化和守恒定律,随着科技的进步和发展,第二类永动机可以制造出来
D.温度是物体分子热运动平均动能的标志
【解析】选D。两个温度不同的物体相互接触时,热量能自发地从高温物体传给低温物体,但不能自发地从低温物体传给高温物体,故A错误;在外界的影响下,能使能量从低温物体向高温物体传递,空调、冰箱就是这个原理,故B错误;第一
类永动机违背能的转化和守恒定律,不能制造出来,第二类永动机不违背能的转
化和守恒定律,但违反了物理过程的方向性,同样不能制造成功,故C错误;温度是物体分子热运动激烈程度的反映,是物体分子热运动平均动能的标志,温度越高,分子热运动平均动能越大,故D正确。
【补偿训练】
1.第二类永动机不可以制成,是因为(　　)
A.违背了能量守恒定律
B.热量总是从高温物体传递到低温物体
C.机械能不能全部转变为内能
D.内能不能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
【解析】选D。第二类永动机设想虽然符合能量守恒定律,但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律,所以不可能制成。
2.(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图,压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是(　　)

A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
【解析】选B、C。根据热力学第二定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,必须借助于其他系统做功,A错误,B正确;热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律,是能量守恒定律的具体表现,适用于所有的热现象,故C正确,D错误。
【拓展例题】考查内容:热力学定律的综合应用
【典例】一种冷暖两用型空调,铭牌标注:输入功率1 kW,制冷能力1.2×104 kJ/h,制热能力1.3×104 kJ/h。这样,该空调在制热时,每消耗1 J电能,将放出3 J的热量。标注是否错误?
【解析】空调制冷、制热是靠压缩机做功,通过内部的制冷剂将热量从温度低的地方向温度高的地方传递。在制热时,室内温度高,室外温度低,热量不会自发地从室外向室内传递。要实现这一过程就会引起其他的变化,这里的其他变化正是通过压缩机做功消耗电能的过程,题中放出3 J的热量是指将3 J的内能从室外传递到室内,需消耗 1 J 的电能。整个过程既不违背热力学第一定律的能量守恒,又符合热力学第二定律的方向性。因此标注没有错误。
答案:见解析

课堂检测·素养达标
1.(多选)关于热机的效率,下列说法正确的是(　　)
A.有可能达到80%　　　　　　 B.有可能达到100%
C.有可能超过80% D.一定能达到100%
【解析】选A、C。根据热力学第二定律,热机效率永远也达不到100%。
2.关于能源和能量,下列说法正确的是(　　)
A.自然界的能量是守恒的,所以地球上的能源永不枯竭
B.能源的利用过程中有能量耗散,所以自然界的能量在不断减少
C.能量耗散遵循能量守恒定律
D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
【解析】选C。自然界中的能量是守恒的,但地球上的化石能源的存储量是有限的,如果过量开采这些能源,就会存在能源危机,故A错误;能源的利用过程中有能量耗散,但自然界中的能量是守恒的,所以自然界中的能量不会减小,故B错误,C正确;能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,故D错误。
3.如图所示,汽缸内盛有一定量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气。现将活塞杆与外界连接,使其缓慢地向右移动,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,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律
B.气体从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律
C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.A、B、C三种说法都不对
【解析】选C。热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是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。本题中如果没有外界的帮助,比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动,使气体膨胀对外做功,导致气体温度略微降低,是不可能从外界吸收热量的,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热,全用来对外做功,但引起了其他变化,所以此过程不违反热力学第二定律。
4.对于永动机的认识,下列说法正确的是(　　)
A.第一类永动机和第二类永动机都违背了能量守恒定律,所以都不可能制成
B.第一类永动机违背了能量守恒定律,第二类永动机没有违背能量守恒定律,因此,随着科学技术的迅猛发展,第二类永动机是可以制成的
C.第一类永动机违反了热力学第一定律,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
D.两类永动机的实质和工作原理是相同的,都是人们的美好设想,是永远不会实现的。
【解析】选C。第一类永动机违反了能量的转化与守恒,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,内能在转化为机械能的过程中要生热,所以要引起其他变化。这两类永动机都不可能制成,故A、B、D错误,C
正确。

情境:1821年,德国物理学家塞贝克发现了一种怪现象:把两根铜丝和一根铁丝与灵敏电流计串联成闭合电路,然后把铜铁丝的一个连接点放在盛有冰水混合物的容器里保持低温,另一个连接点放在火焰上加热,升到很高的温度时,发现灵敏电流计的指针发生了偏转,表明闭合电路中产生了电流,这就是温差发电现象。
问题:这一实验是否违反热力学第二定律?简述这一过程中能的转化情况。

【解析】不违反,内能不可能全部转化为电能,而不产生其他影响;产生的电能是由被火焰加热的铜铁丝的内能转化而来,其内能一部分转化为电能,一部分传递给冰水混合物。
答案:见解析