高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律导学案及答案

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4　热力学第二定律[学习目标]　 1.通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律.2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质.3.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.4.认识能量耗散，知道能源是有限的．一、热力学第二定律1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律．2．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．(该表述阐述的是传热的方向性)3．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，即W<Q.(2)热力学第二定律的开尔文表述：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)4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的．(选填“等价”或“不等价”)二、能源是有限的1．能源：具有高品质的容易利用的储能物质．2．能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中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”．3．能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了，能源减少了．1．判断下列说法的正误．(1)热量不会从低温物体传给高温物体．(　×　)(2)机械能可以完全转化为内能，而内能不可能完全转化为机械能．(　×　)(3)可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功．(　√　)(4)能源是取之不尽、用之不竭的．(　×　)2．热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明传热过程具有________．冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这________(填“违反”或“不违反”)热力学第二定律．答案　方向性　不违反一、对热力学第二定律的理解导学探究(1)传热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”？(2)如图1所示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？②热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？图1答案　(1)不能．两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能．(2)①不是　②不能知识深化1．自然过程的方向性(1)热传导具有方向性两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．(2)气体的扩散现象具有方向性两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体．(3)机械能和内能的转化过程具有方向性物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．(4)气体向真空膨胀具有方向性气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空．2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义(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借助其他物体提供能量等．(2)“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．(3)“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．(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，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，不论用任何的办法都不可能加以消除．特别提醒　(1)热力学第二定律的两种表述是等价的．(2)热力学第二定律的实质：热力学第二定律的每一种表述，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．(2020·江苏省马坝高中高二月考)下列过程中可能发生的是(　　)A．将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开B．利用其他手段，可使低温物体温度更低，高温物体的温度更高C．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发溢进去，恢复原状D．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答案　B解析　扩散现象具有方向性，因此不能自发地各自分开，故A错误；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，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可以实现的，故B正确；气体膨胀具有方向性，能自发溢出但不能自发溢进去，故C错误；要使内能全部转化为机械能必定要引起其他影响，故D错误．(2021·辽宁本溪高二月考)根据热力学第二定律可知，下列说法正确的是(　　)A．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功B．第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律C．热机的效率可以达到100%D．不可能使热量从低温物体传向高温物体答案　A解析　不可能从单一热源吸收热量使之完全变为功而不引起其他变化，如果引起其他变化，可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，故A正确；第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，B错误；热机效率无法达到100%，C错误；根据热力学第二定律，不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体，但在外界的作用下，能使热量从低温物体传向高温物体，比如电冰箱，故D错误．1．一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定均能实现．2．热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的．例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响．二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较1．两定律的比较 热力学第一定律热力学第二定律区别是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机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，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 2.两类永动机的比较 第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去)将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)不可能制成的原因违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律 (2021·山东烟台高二期中)对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法中不正确的是(　　)A．第一类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C．用活塞压缩汽缸里的气体，外界对气体做功2.0×105 J，同时气体向外界放出热量0.5×105 J，则气体内能增加了1.5×105 JD．一定质量的理想气体温度升高1 K，其等容过程中吸收的热量大于等压过程吸收的热量答案　D解析　第一类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律，A正确；根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；用活塞压缩汽缸里的气体，外界对气体做功2.0×105 J，为正值，同时气体向外界放出热量0.5×105 J，为负值，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝2.0×105 J－0.5×105 J＝1.5×105 J，气体内能增加了1.5×105 J，C正确；根据热力学第一定律，等容过程中吸收的热量仅仅增加为内能；根据理想气体状态方程和热力学第一定律，等压升温的过程中体积增大，对外做功，吸收的热量转化为内能和对外所做的功，所以一定质量的理想气体温度升高1 K，其等容过程中吸收的热量小于等压过程吸收的热量，D错误．三、能源与能量耗散导学探究(1)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内能，这些内能最终流散到周围的环境中，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？(2)如图2所示是两幅宣传节约能源的图片．请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？图2答案　(1)内能．(2)能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量．知识深化能量与能源的区别1．能量是守恒的，既不会增加也不会减少．2．能源是能够提供可利用能量的物质．3．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．(2020·启东中学高一期中)全球受“新冠”疫情的影响，能源市场需求减少，国际原油价格一路走低．下列关于能量和能源说法正确的是(　　)A．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源B．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少C．能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造答案　B解析　根据能量守恒定律可知，能量不会被创造，也不会凭空消失，B正确，D错误；能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性，能量耗散导致能量品质降低，所以必须节约能源，A、C错误.1．(对热力学第二定律的理解)(2020·上海市金山中学高二期末)关于自然过程中的方向性，下列说法正确的是(　　)A．摩擦生热的过程是可逆的B．凡是符合能量守恒的过程一般都是可逆的C．实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”D．空调机既能制冷又能制热，说明传热不存在方向性答案　C解析　摩擦生热的过程是不可逆的，故A错误．能量守恒具有单向性，一般是不可逆的，故B错误；实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”，故C正确；空调机既能制冷又能制热，并不能说明传热不存在方向性，而是在相反的过程中，要引起其他方面的变化，故D错误．2．(对热力学第二定律的理解)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是(　　)A．即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机的效率也不会是100%B．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的内能全部转化为机械能C．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行D．热量只能从高温物体传到低温物体，不能从低温物体传到高温物体答案　A解析　由热力学第二定律可知，即使没有摩擦、漏气和不必要的散热等损失，热机的效率也不能达到100%，故A正确；根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热而全部转化为机械能，即热机的效率不可能达到100%，B错误；热力学第二定律告诉我们，一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，故满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发进行，如热量不会自发地由低温物体向高温物体传递，C错误；根据热力学第二定律知，热量可以自发地由高温物体传到低温物体，不能自发地由低温物体传到高温物体．电冰箱能制冷是在压缩机做功的情况下热量才由低温物体传到高温物体，热量不是自发地由低温物体传到高温物体，D错误．3．(热力学第一定律和热力学第二定律)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背了热力学第一定律B．第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能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答案　D解析　第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机违背热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的，但会产生其他影响，D正确．4．(能源与能量耗散)(2020·江苏南京高二学业考试)下列说法正确的是(　　)A．能量耗散反映出自然界的宏观过程是没有方向性的B．能量守恒表明，节约能源是无意义的C．随着科技的发展，第二类永动机是可以制成的D．能量守恒定律是自然界遵循的普遍规律答案　D解析　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方向性，故A错误；热力学第二定律表明，能量虽然守恒，但可利用的品质降低了，故B错误；第二类永动机违背了热力学第二定律，故是无法制造成功的，故C错误；能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一，也是自然界最普遍、最重要的基本规律之一，小到原子世界，大到宇宙天体，只要有能的变化，无论是什么变化，都遵循它，故D正确.考点一　对热力学第二定律的理解1．(2021·河北保定高二月考)下列说法中正确的是(　　)A．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都不具有方向性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．电能不能全部变为内能D．在火力发电机中，燃气的内能可能全部转化成电能答案　B2．把水和酒精混合后，用蒸发的方式又可以分开，然后液化恢复到原来的状态，这说明(　　)A．扩散现象没有方向性B．将水和酒精分开时，引起了其他变化，故扩散现象具有方向性C．将水和酒精分开时，并没有引起化学变化，故扩散现象没有方向性D．用本题的实验，无法说明扩散现象是否具有方向性答案　B解析　从题中可明显看出，两者混合时是自动产生的，但两者分离时，要先加热后冷却，也就是说，向分离与向混合这两个方向的发展是可以通过过程是否自动完成、是否需要外加其他手段才能完成来区分的，因此，可以证明扩散现象是有方向性的，B正确，A、C、D错误．3．(2021·湖南常德高二期中)根据热力学定律，下列说法正确的是(　　)A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成B．效率为100%的热机是不可能制成的C．电冰箱的工作过程表明，热量可以自发地从低温物体向高温物体传递D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段答案　B解析　第二类永动机违反了热力学第二定律，因此不可能制成，故A错误；效率为100%的热机是不可能制成的，故B正确；电冰箱通过消耗电能才能把热量从低温的箱体内转移到温度较高的箱体外，故C错误；从单一热源吸收热量，不可能使之完全变为有用功，故D错误．4．(2020·广东茂名高二期末)根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是(　　)A．功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功B．热量可以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C．气体向真空的自由膨胀是不可逆的D．随着技术的进步，热机的效率可以达到100%答案　C解析　功可以全部转化为热，根据热力学第二定律的开尔文表述，不可能从单一热库吸收热，把它全部变为功而不产生其他影响，把热全部转换为功并不是不可能，只是需要产生其他影响而已，所以A错误；热量可以从高温物体传到低温物体，根据热力学第二定律的克劳修斯表述，不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他影响，也就是说热量可以从低温物体传递到高温物体，只是需要产生其他影响，所以B错误；气体向真空自由膨胀遵守热力学第二定律，具有方向性，所以C正确；热机的效率绝对不可能达到100%，一定会有能量损失，所以D错误．5．(2020·山东潍坊高二期末)根据所学热学的有关知识，下列说法中正确的是(　　)A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以自发地全部转化成机械能B．凡与热现象有关的自发的宏观过程都具有方向性，在传热过程中，热量能够从高温物体传递给低温物体，但不能自发地从低温物体传递给高温物体C．随着技术不断进步，制冷机可以使温度降到－300 ℃D．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行答案　B解析　由热力学第二定律可知，机械能可以全部转化为内能，在有外界影响的情况下，内能可以全部转化为机械能，但不能自发地全部转化为机械能，故A错误；由热力学第二定律可知，凡与热现象有关的自发的宏观过程都具有方向性，在传热过程中，热量能够从高温物体传递给低温物体，但不能自发地从低温物体传递给高温物体，故B正确；－273.15 ℃是低温的极限，故制冷机不可以使温度降到－300 ℃，故C错误；若与热力学第二定律相违背，满足能量守恒定律的物理过程不能自发进行，故D错误．6．下列说法正确的是(　　)A．机械能全部变成内能是不可能的B．第二类永动机不可能制造成功是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体D．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的答案　D解析　机械能可以全部转化为内能，故A错；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B错；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发的，是可以进行的，故C错；从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D对．考点二　能源与能量耗散7．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并加以利用．下列关于能量耗散的说法正确的是(　　)A．能量耗散说明能量不守恒B．能量耗散不符合热力学第二定律C．能量耗散过程中能量仍守恒D．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程不具有方向性答案　C解析　能量耗散过程中能量是守恒的，能量耗散符合热力学第二定律，C正确．8．下列哪些现象属于能量耗散(　　)A．利用水流能发电变成电能B．电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能C．电池的化学能转化为电能D．火炉把房子烤暖答案　D解析　能量耗散是指其他形式的能转化为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象，能够重新收集并加以利用的不能称为能量耗散．电能、光能都可以重新收集并加以利用，如用光作为能源的手表等，只有当用电灯照明时的光能被墙壁吸收之后变为周围环境的内能，才无法重新吸收并加以利用，但本题没有告诉光能用来做什么，故不能算能量耗散，只有火炉把房子烤暖后使燃料的化学能转化成内能并流散在周围的环境中，无法重新收集并加以利用，才是能量耗散．故D正确．9．(2021·河南安阳高二期中)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．热量不能由低温物体传到高温物体B．外界对物体做功，物体的内能必定增加C．第一类永动机不可能制成，是因为违反了热力学第二定律D．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化答案　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给高温物体，但在一定条件下，热量可以由低温物体传给高温物体，例如电冰箱的工作过程，A错误；根据热力学第一定律，物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素，B错误；第一类永动机违反能量守恒定律，C错误；不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化是热力学第二定律的表述形式之一，D正确．10．(2020·南京市中华中学高二月考)下列说法正确的是(　　)A．第二类永动机不可能制造成功的原因是违背能量守恒定律B．热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性C．因为能量守恒，所以能源危机是不可能的D．摩擦力做功的过程，必定有机械能转化为内能答案　B解析　第二类永动机不可能制造成功的原因是违背热力学第二定律，但不违背能量守恒定律，选项A错误；热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性，选项B正确；能量虽然守恒，但有些能量耗散以后就将不能再利用，故要节约能源，选项C错误；静摩擦力做功，没有机械能转化为内能，选项D错误．