高中人教版 (新课标)4 热力学第二定律导学案

这是一份高中人教版 (新课标)4 热力学第二定律导学案，共9页。


一、热力学第二定律的一种表述
1．热传导的方向性
(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)热传导过程是有方向性的．
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．即热传导的过程具有方向性．
二、热力学第二定律的另一种表述
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：η＝eq \f(W,Q).
2．开尔文表达
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)
3．热力学第二定律的其他描述
(1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性．
(2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的．
(3)第二类永动机是不可能制成的．
4．第二类永动机
(1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化的热机．
(2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违背能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸收的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)热传导的过程是具有方向性的．(√)
(2)热量不能由低温物体传给高温物体．(×)
(3)第二类永动机违背了热力学第二定律．(√)
(4)科技发达后，热机的效率可以达到100%；(×)
(5)机械能可以全部转化为内能，而内能不能自发地全部转化为机械能．(√)
2．(多选)关于热传导的方向性．下列说法正确的是( )
A．热量能自发地由高温物体传给低温物体
B．热量能自发地由低温物体传给高温物体
C．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体
D．热量一定不可能从低温物体传给高温物体
E．热量既可以从高温物体传递到低温物体，也可以从低温物体传递到高温物体
ACE [在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传递给高温物体；而在自发的条件下，热量只能从高温物体传给低温物体，故A、C、E选项正确．]
3．(多选)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是( )
A．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
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而不引起其他变化
D．在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能
E．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量
ADE [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，A对；机械能和内能的转化过程具有方向性，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有外界的帮助，故B错；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故C错；火力发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能向机械能转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不会全部变为电能，故D对；不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响，即第二类永动机不存在，故E正确．]
1．对热力学第二定律的理解
在热力学第二定律的表述中，正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在．
(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它不受外界干扰．在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，却不能自发地从低温物体传向高温物体．要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“对外界的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，它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”到高温处的．
(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．
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，进而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．
3．对热力学第二定律的两种表述等价性的证明
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；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的．
【例1】 对热力学第二定律的理解，下列说法正确的是( )
A．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，是因为违反了能量守恒定律
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
D [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，但在一定条件下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱的工作过程，故选项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，所以选项B错误；第二类永动机不违反能量守恒定律，而违反了热力学第二定律，选项C错误；选项D是热力学第二定律的表述形式之一，是正确的．]
理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性．理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”．
1．(多选)根据热力学第二定律，下列说法正确的是( )
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电能不可能全部转变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
E．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
ACD [凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性．无论采用任何设备和手段进行能量转化，热机的效率不可能达到100%，故热机中燃气的内能不能全部转化为机械能”，故A正确；火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确；热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种(克氏)表述的主要思想，故D正确；由电流热效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能．故B错误；第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律，故E错误．]
1．热机
(1)热机：热机是把内能转化成机械能的一种装置．
如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能．
(2)热机的工作原理
工作物质从热库吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中．
根据能量守恒有Q1＝W＋Q2.
(3)热机的效率
把热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η＝eq \f(W,Q1).
因为Q1＝W＋Q2，所以Q1>W，η<1.
这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中．
(4)特别提示：①热机必须有热源和冷凝器．
②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能．
③因热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1>W.
④热机的效率不可能达到100%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中．
2．第二类永动机
(1)第二类永动机
只从单一热库吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机．
(2)第二类永动机不可能制成
这类机器虽然不违背能量守恒定律，但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的，热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温热库．也就是说，热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做机械功的热量仅是它从高温热库吸收热量的一部分，绝不会是全部，所以第二类永动机是不可能制成的．从上面的分析可知，即便没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失，也总有W(3)热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成．
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)．
【例2】 (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
AD [根据第二类永动机的定义可知选项A正确；第二类永动机不违反能量守恒定律，但是违反热力学第二定律，所以选项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，选项C错误，选项D正确．]
(1)热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性．告诫人们：第一类永动机不可能制成．
(2)热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性．如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．告诫人们：第二类永动机不可能制成．
2．(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
B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律
C．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
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
CD [由于气体始终通过汽缸与外界接触，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，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，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，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生，C、D正确．]
1．(多选)第二类永动机不可能制成的原因的下列说法正确的是( )
A．违背能量守恒定律
B．热量总是从高温物体传递到低温物体
C．机械能不能全部转化为内能
D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
E．违背了热力学第二定律
DE [第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但违背了“能量转化过程是有方向性的”规律，故A错；在引起其他变化的情况下，热量可由低温物体非自发地传递到高温物体，故B错；机械能可以全部转化为内能，故C错．]
2．(多选)下列说法中正确的是( )
A．电动机是把电能全部转化为机械能的装置
B．热机是将内能全部转化为机械能的装置
C．随着技术不断发展，可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
D．虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用
E．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
DE [由于电阻的存在，电流通过电动机时一定发热，电能不能全部转化为机械能，A错误；根据热力学第二定律知，热机不可能将内能全部转化为机械能，B错误；C项说法违背热力学第二定律，因此错误；由于能量耗散，能源的可利用率降低，D正确；在电流做功的情况下，热量可以从低温物体向高温物体传递，故E正确．]
3．下列说法正确的是( )
A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功
B．热机必须是具有两个热库，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1
D．热机的效率必定小于1
D [开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他变化，比如气体等温膨胀，气体内能完全转化为功，但气体体积增大了，A项错误；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项错误；由η＝eq \f(Q1－Q2,Q1)可知，只要Q2≠0，η≠1，如果Q2＝0，则低温热库不存在，违背了开尔文表述，故C项错误，D项正确．]
4．(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法正确的有( )
A．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
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体
C．机械功可以全部转化为热量，但热量不可能全部转化为机械功
D．机械功可以全部转化为热量，热量也可能全部转化为机械功
BD [根据热传递的规律可知热量能够从高温物体传到低温物体；当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，制冷机(例如冰箱和空调)就是这样的装置，但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体，A项错误，B项正确；一个运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终停止，在这个过程中机械功全部转化为热量，外界条件发生变化时，热量也可以全部转化为机械功；例如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功，C项错误，D项正确．]
热力学第二定律
第二类永动机
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.热力学第二定律的两种不同表述及实质.
2.运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.
3.运用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因.