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2019-2020年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第4講 熱力學(xué)第二定律學(xué)案 新人教版選修3-3 [目標(biāo)定位]　1.通過自然界中客觀過程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律.2.了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實(shí)質(zhì).3.了解什么是第二類永動(dòng)機(jī)，知道為什么它不能制成. 一、熱力學(xué)第二定律 1．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)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(kuò)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(xué)第二定律． 二、熱力學(xué)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(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響． 三、熱機(jī) 1．熱機(jī)的效率η：熱機(jī)輸出的機(jī)械功與燃料產(chǎn)生的熱量的比值，用公式表示為η＝.熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%. 2．第二類永動(dòng)機(jī)：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(jī)叫第二類永動(dòng)機(jī)，它不違背能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律，所以不能實(shí)現(xiàn)． 一、宏觀過程的方向性 1．熱傳導(dǎo)具有方向性：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，結(jié)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(kuò)散現(xiàn)象具有方向性：兩種不同的氣體可以自發(fā)地進(jìn)入對(duì)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(huì)自發(fā)地分開，成為兩種不同的氣體． 3．機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性：物體在水平面上運(yùn)動(dòng)，因摩擦而逐漸停止下來，但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后，在地面上重新運(yùn)動(dòng)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(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出，容器變?yōu)檎婵眨? 5．在整個(gè)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(jìn)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(jìn)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(duì)，B錯(cuò)；氣體向真空中膨脹的過程也是不可逆，具有方向性的，D對(duì)． 借題發(fā)揮　兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)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(gè)過程是自發(fā)進(jìn)行的，不需要任何外界的影響或者幫助，有時(shí)我們也能實(shí)現(xiàn)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(jìn)行的，需要消耗電能，其實(shí)自然界中所有的熱現(xiàn)象都是具有單向性的． 二、熱力學(xué)第二定律和第二類永動(dòng)機(jī) 1．克勞修斯表述是按熱傳導(dǎo)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(diào)． 2．開爾文表述是按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的．不是不能從單一熱庫(kù)吸收熱量而對(duì)外做功，而是這樣做的結(jié)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(shí)是等價(jià)的，可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述． 4．熱力學(xué)第二定律揭示了自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性． 5．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，它也是熱力學(xué)第二定律的一種表述形式． 雖然第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但大量的事實(shí)證明，在任何情況下熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱源，熱機(jī)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?zé)嵩矗? 例2　根據(jù)熱力學(xué)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(jī)是可以實(shí)現(xiàn)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(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性，機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須借助外部的幫助，即會(huì)引起其他變化，A選項(xiàng)正確，B選項(xiàng)錯(cuò)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(duì)系統(tǒng)做功)，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)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(shí)現(xiàn)． (2)熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵在于“自發(fā)性”和“方向性”． 例3　第二類永動(dòng)機(jī)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(jī)械能不能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 D．內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化 答案　D 解析　第二類永動(dòng)機(jī)的設(shè)想并不違背能量守恒定律，但是違背了熱力學(xué)第二定律，所以不可能制成． 宏觀過程的方向性 1．下列哪個(gè)過程具有方向性(　　) A．熱傳導(dǎo)過程 B．機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程 C．氣體的擴(kuò)散過程 D．氣體向真空中的膨脹 答案　ABCD 解析　這四個(gè)過程都是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程，根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性． 熱力學(xué)第二定律和第二類永動(dòng)機(jī) 2．根據(jù)熱力學(xué)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?nèi)能 B．在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔? C．熱機(jī)中，燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能 D．在熱傳導(dǎo)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(jù)熱力學(xué)第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮?nèi)能(由焦耳定律可知)，而內(nèi)能不可能全部變成電流的能，而不產(chǎn)生其他影響．機(jī)械能可全部變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部變成機(jī)械能．在熱傳導(dǎo)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(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，下列論述正確的是(　　) A．熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的 B．內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會(huì)產(chǎn)生其他影響，故兩條定律并不矛盾 C．兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì)區(qū)別 D．其實(shí)，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 答案　B 解析　熱力學(xué)第一定律揭示了內(nèi)能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是能量守恒定律在熱學(xué)中的具體體現(xiàn)．熱力學(xué)第二定律則進(jìn)一步闡明了內(nèi)能與其他形式能量轉(zhuǎn)化時(shí)的方向性，二者表述的角度不同，本質(zhì)不同，相互補(bǔ)充，并不矛盾，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確；內(nèi)能在一定條件下可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)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(jī)工作還要消耗電能，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤． 4．關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學(xué)規(guī)律，下列說法中正確的是(　　) A．隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并達(dá)到絕對(duì)零度，最終實(shí)現(xiàn)熱機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)空氣做功2.0105 J，同時(shí)空氣向外界放出熱量1.5105 J，則空氣的內(nèi)能增加了5104 J 答案　D 解析　由熱力學(xué)第二定律知，B、C錯(cuò)；絕對(duì)零度不可能達(dá)到，A錯(cuò)；由熱力學(xué)第一定律知D正確. (時(shí)間：60分鐘) 題組一　宏觀過程的方向性 1．關(guān)于熱傳導(dǎo)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)的 C．由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進(jìn)行 D．一切物理過程都不可能自發(fā)地進(jìn)行 答案　AC 解析　能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程都是具有方向性的，A對(duì)；第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但是不能實(shí)現(xiàn)，B錯(cuò)；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(jìn)行，C對(duì)，D錯(cuò)． 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(diào)等設(shè)備就是利用了熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行，故A錯(cuò)；空調(diào)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(cuò)． 題組二　熱力學(xué)第二定律的理解 4．關(guān)于熱力學(xué)定律和分子動(dòng)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(nèi)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(jī)，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這在原理上是可行的 C．在分子力作用范圍內(nèi)，分子力總是隨分子間距離的增大而減小 D．溫度升高時(shí)，物體中每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率都將增大 答案　B 解析　由熱力學(xué)第二定律可知，A錯(cuò)誤，B正確；由分子間作用力與分子間距的關(guān)系可知，C項(xiàng)錯(cuò)誤；溫度升高時(shí)，物體中分子平均動(dòng)能增大，但并不是每個(gè)分子的動(dòng)能都增大，即并不是每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率都增大，故D項(xiàng)錯(cuò)誤． 5．用兩種不同的金屬絲組成一個(gè)回路，接觸點(diǎn)1插在熱水中，接觸點(diǎn)2插在冷水中，如圖1所示，電流計(jì)指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象．關(guān)于這一現(xiàn)象的正確說法是(　　) 圖1 A．這一實(shí)驗(yàn)不違背熱力學(xué)第二定律 B．在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水溫度降低，冷水溫度升高 C．在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能，電能則部分轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能 D．在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能，電能則全部轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能 答案　AB 解析　自然界中的任何自然現(xiàn)象或過程都不違反熱力學(xué)定律，本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不違反熱力學(xué)第二定律，A正確；整個(gè)過程中能量守恒且熱傳遞有方向性，B正確；在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水中的內(nèi)能除轉(zhuǎn)化為電能外，還升高金屬絲的溫度，內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為電能；電能除轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能外，還升高金屬絲的溫度，電能不能全部轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能，C、D錯(cuò)誤． 6．圖2為電冰箱的工作原理示意圖．壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)、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(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時(shí)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(nèi)傳到冰箱外 B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因?yàn)槠湎牧穗娔? C．電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第二定律 D．電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第二定律 答案　BC 解析　根據(jù)熱力學(xué)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(cuò)誤，B正確．電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第二定律，C正確，D錯(cuò)誤．故選B、C. 7．關(guān)于空調(diào)機(jī)，下列說法正確的是(　　) A．制冷空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量從低溫物體傳到高溫物體 B．制暖空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量從高溫物體傳到低溫物體 C．冷暖空調(diào)機(jī)工作時(shí)，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(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量只能從低溫物體傳到高溫物體 答案　AD 解析　空調(diào)機(jī)工作時(shí)，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，因?yàn)檫@里有外界做功． 題組三　綜合應(yīng)用 8．下列說法中正確的是(　　) A．功可以完全轉(zhuǎn)化為熱量，而熱量不可以完全轉(zhuǎn)化為功 B．熱機(jī)必須是具有兩個(gè)熱庫(kù)，才能實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化 C．熱機(jī)的效率不可能大于1，但可能等于1 D．熱機(jī)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(zhuǎn)化為功，但必然要產(chǎn)生其他變化，比如氣體等溫膨脹，氣體內(nèi)能完全轉(zhuǎn)化為功，但氣體體積增大了，A錯(cuò)誤；開爾文表述指出，熱機(jī)不可能只有單一熱庫(kù)，但未必就是兩個(gè)熱庫(kù)，可以具有兩個(gè)以上熱庫(kù)，B錯(cuò)誤；由η＝可知，只要Q2≠0，η≠1，如果Q2＝0，則低溫?zé)釒?kù)不存在，違背了開爾文表述，故C錯(cuò)誤，D正確． 9．如圖3所示，一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片．輕推轉(zhuǎn)輪后，進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)．離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)．下列說法正確的是(　　) 圖3 A．轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量 B．轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來自形狀記憶合金自身 C．轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)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(zhuǎn)輪后，葉片開始轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是(　　) A．為了增加物體的內(nèi)能，必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量 B．對(duì)某物體做功，必定會(huì)使該物體的內(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際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(nèi)能的兩種途徑．它們具有等效性，故A正確，B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)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?huì)產(chǎn)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(cuò)誤；一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆的，則E正確． 11．熱力學(xué)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(kù)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(jù)熱力學(xué)第二定律的第一種表述畫出的示意圖：外界對(duì)制冷機(jī)做功，使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體．請(qǐng)你根據(jù)第二種表述完成示意圖乙．根據(jù)你的理解，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是_____________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 圖4 答案　見解析 解析　示意圖如圖所示． 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性．