2019高中物理 第十章 热力学定律 课时4 热力学第二定律学案 新人教版选修3-3.doc

1学案学案 4 4 热力学第二定律热力学第二定律目标定位 1.通过自然界中传热的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因.2.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题一、热力学第二定律问题设计两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从低温物体传给高温物体，结果使高温物体的温度升高，低温物体的温度降低吗？答案 不会热传递具有方向性要点提炼1两种常见表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体(阐述的是热传递的方向性)(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响(阐述的是机械能与内能转化的方向性)2热力学第二定律的理解(1)克劳修斯表述指明热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助，其物理本质是揭示了热传递过程是不可逆(填“可逆”或“不可逆”)的(2)开尔文表述中的“单一热库”指温度恒定且均匀的热库 “不产生其他影响”是指惟一效果是热量全部转变为功而外界及系统都不发生任何变化其物质实质揭示了热变功过程是不可逆的(3)热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的过程的方向性进而使人们认识到自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的延伸思考热传导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”？答案 不能二、两个热力学定律的比较与应用问题设计地球上有大量的海水，它的总质量约为 1.4×1018 t，如果这些海水的温度降低 0.1 ，将要放出 5.8×1023 J 的热量，这相当于 1 800 万个功率为 100 万千瓦的核电站一年的发2电量，这么巨大的能量，人们为什么不去开发研究呢？答案 这种利用海水的内能发电的过程，违背了热力学第二定律，所以不会研究成功要点提炼1两个定律比较：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中，总的能量保持不变热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性(填“可逆性”或“不可逆性”)2两类永动机的比较：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)3第一类永动机和第二类永动机都不可能制成第一类永动机的设想违反了能量守恒定律；第二类永动机的设想不违反能量守恒定律，但违背了热力学第二定律一、热力学第二定律的基本考查例 1 关于热力学第二定律，下列说法正确的是( )A热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律B热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律C热力学第二定律是物理学家从理论推导出来的结果D热力学第二定律没有理论和实验的依据，因此没有实际意义解析 热力学第二定律是物理学家通过对大量自然现象的分析，又总结了生产和生活经验得到的结论，是一个经验定律，它并不能通过理论和实验来证明，但它符合客观事实，因此是正确的它揭示了热现象宏观过程的方向性，使人们认识到第二类永动机不可能制成，对我们认识自然和利用自然有着重要的指导意义答案 B例 2 根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是( )A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B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是可以实现的C制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化D不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化解析 热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过3程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A 选项正确，B 选项错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故 C 选项错误，D 选项正确答案 AD二、热力学第一定律和热力学第二定律例 3 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( )A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能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的B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C两条定律都是有关能量转化的规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别D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解析 热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和其他形式能发生转化的方向性，两者并不矛盾，选项 A、C、D 错误，B 正确答案 B例 4 第二类永动机不可能制成是因为( )A违背了能量守恒定律B违背了热力学第二定律C机械能不能全部转变为内能D内能不可能全部转化为机械能，而不产生其他影响答案 BD1(热力学第二定律)下列说法中正确的是( )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，而同时也指出了发生这些单一方向的过程的条件自发，这也就说明了这些过程中的一些，其逆过程在某些条件下是可以发生的，但也有的是不可能发生的2(热力学第二定律的应用)下列说法正确的是( )4A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，是因为违背了能量守恒定律D电冰箱虽然可以从低温物体吸收热量，但不违反热力学第二定律答案 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，在发生其他变化的前提下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱制冷时，压缩机工作，消耗了电能，同时热量由冰箱内的低温物体传递到冰箱外的高温物体，所以选项 A 错误；外界对物体做功的同时，物体可能放热，物体的内能不一定增加，所以选项 B 错误；第二类永动机不可能制成，并不违背能量守恒定律，但它违背了热力学第二定律中热机效率必小于 1 的表述，因此它不可能制成，所以选项 C 错误；电冰箱虽然从低温物体吸收了热量，但产生了其他影响，消耗了电能，选项 D 正确3(热力学定律的应用)关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是( )A随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并最终达到绝对零度B热量是不可能从低温物体传递给高温物体的C第二类永动机遵从能量守恒定律，故能制成D用活塞压缩气缸里的空气，对空气做功 2.0×105 J，同时空气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了 0.5×105 J答案 D4(热力学定律的应用)下列说法中正确的是( )A第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律B第二类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律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效的答案 ACD解析 第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背了热力学第二定律，故选项A 正确，选项 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效的，选项 D 正确热力学第二定律Error!题组一 热力学第二定律的基本考查51下列说法正确的是( )A热量能自发地从高温物体传给低温物体B热量不能从低温物体传到高温物体C热传导是有方向性的D气体向真空的自由膨胀的过程是有方向性的答案 ACD解析 如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，选项 A、C 对，B 错；气体向真空的自由膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性，选项 D 对2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有可能超过 100%答案 AC解析 由热力学第二定律可知，不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不产生其他影响，所以热机的效率永远也达不到 100%.3下列过程中可能发生的是( )A某种物质从高温热源吸收 20 kJ 的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响B打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发跑进去，恢复原状C利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高D将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开答案 C解析 根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的影响，但通过一些物理手段是可以实现的，故 C 项正确；内能转化为机械能不可能自发地进行，要使内能全部转化为机械能必定要引起其他变化，故 A 项错；气体膨胀具有方向性，故 B 项错；扩散现象也有方向性，故 D 项错4下列说法中正确的是( )A功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功B热机必须具有两个热库，才能实现热功转化C热机的效率不可能大于 1，但可能等于 1D热机的效率必定小于 1答案 D解析 本题要求全面领会开尔文表述的含义，同时注意语言逻辑性开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他影响，比如气体等温膨胀过程，气体内能完全6转化为功，但气体体积增大了，A 错误；开尔文表述指出，热机不可能只有单一热库，但未必就是两个热库，可以具有两个以上热库，B 错误；由可知，只要Q1Q2 Q1Q20，1，如果Q20，则低温热库不存在，违背了开尔文表述，故 C 错误，D 正确5如图 1 中气缸内盛有一定质量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气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活塞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( )图 1A气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违反热力学第二定律B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，此过程不违反热力学第二定律D以上三种说法都不对答案 C解析 由于气缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，所以气缸内的气体温度也不变，要保持其内能不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能发生6我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来其原因是( )A违背了能量守恒定律B在任何条件下内能不可能转化成机械能，只有机械能才能转化成内能C机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的D以上说法均不正确答案 C解析 不同形式的能量可以相互转化，机械能可以转化为内能，在一定的条件下，内能也能转化为机械能，能量的转化都是通过做功来实现的7用两种不同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2 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，正确的说法是( )7图 2A这一实验过程不违反热力学第二定律B在实验过程中，热水一定降温、冷水一定升温C在实验过程中，热水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答案 AB解析 温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，转化效率低于 100%，不违反热力学第二定律，热水温度降低，冷水温度升高，故选项 A、B 正确，C、D 错误题组二 两个热力学定律的应用8关于热力学定律，下列说法正确的是( )A在一定条件下物体的温度可以降到 0 KB物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功C吸收了热量的物体，其内能一定增加D压缩气体总能使气体的温度升高答案 B解析 绝对零度只能无限趋近，永远无法达到，A 错误；物体从单一热源吸收的热量可以全部用来对外做功，只不过会引起其他变化，B 正确；内能的变化决定于做功和热传递两个方面，单纯吸收热量或者对物体做功，物体的内能都不一定增加，C、D 错误9下列有关能量转化的说法中正确的是( )A不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他影响B只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能C满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行D外界对物体做功，物体的内能必然增加答案 A解析 由热力学第二定律的开尔文表述可知 A 对；热机效率总低于 100%，B 错；满足能量守恒定律的过程未必能自发进行，任何过程一定遵循热力学第二定律，C 错；由热力学第一定律 UWQ可知，W>0，U不一定大于 0，即内能不一定增加，D 错10下列说法正确的是( )8图 3A对物体做功不可能使物体的温度升高B一个由不导热的材料做成的容器，被不导热的隔板分成甲、乙两室甲室中装有一定质量的温度为T的气体，乙室为真空，如图 3 所示提起隔板，让甲室中的气体进入乙室若甲室中气体的内能只与温度有关，则提起隔板后当气体重新达到平衡时，其温度仍为TC空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作是不遵守热力学第二定律的D从单一热源吸收热量使之全部变成有用的机械能是不可能的答案 B解析 对物体做功可使物体的内能增加，温度升高，如用打气筒打气时筒壁变热，A 错误；提起隔板后，气体向真空自由膨胀，不对外做功，W0，且Q0，则内能不变，温度不变，仍为T，B 正确；在一定条件下，热量可以由低温物体传到高温物体，但引起了外界变化，C 错；从单一热源吸热，并使之全部变成有用功也是可能的，只是会引起其他变化，D 错误11关于热力学定律，下列说法正确的是( )A为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D不可能使热量从低温物体传向高温物体E功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程答案 ACE解析 由热力学第一定律 UWQ，可知 A 正确，B 错误；由热力学第二定律知，C、D这些过程在借助于外界帮助的情况下是可以实现的，所以 C 正确，D 错误；由于自然界中一切与热现象有关的过程都是不可逆的，所以 E 正确，故正确答案为 A、C、E.12图 4 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( )9图 4A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背热力学第一定律D电冰箱的工作原理违背热力学第一定律答案 BC解析 热力学第一定律适用于所有的热学过程，选项 C 正确，选项 D 错误；热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，要想使热量从低温物体传递到高温物体必须借助于其他系统做功，选项 A 错误，选项 B 正确13热力学第二定律常见的表述有两种：第一种表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体；第二种表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响图 5 甲是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图，外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体请你根据第二种表述在图乙中完成示意图根据你的理解，热力学第二定律的实质是_图 5答案 一切与热现象有关的宏观过程均具有方向性1