高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律教学演示课件ppt

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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_________。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_____物体传到_____物体。热力学第二定律的克劳修斯表述,阐述的是传热的_______。
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_______变成工作物质的_____。第二个阶段是工作物质对外_____,把自己的内能变成_______。(2)热机用于做功的热量一定_____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___________,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)
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
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。
【新思维·新考向】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
十　热力学第二定律【基础达标】（25分钟·60分）一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)1.下列说法正确的是(　　)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.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C.功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功D.凡是不违反能量守恒定律的过程都一定能实现
【解析】选B。根据热力学第二定律,热量能够自发地从高温物体传到低温物体,但不能自发地从低温物体传到高温物体,故A错误;根据热力学第二定律,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,故B正确;根据热力学第二定律,功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功,而不引起其他变化,故C错误;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D错误。
2.根据热力学第二定律,下列现象能够发生的是(　　)A.一杯热茶打开杯盖后,茶会自动变得更热B.氮气和氧气混合后会自动分开C.桶中混浊的泥水静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清D.电冰箱不通电时热量也会自发从低温的箱内传到高温的箱外
【解析】选C。传热具有方向性,热量能自发地从高温物体传到低温物体,故一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得凉,故A错误;一切自然现象都具有方向性,氮气和氧气混合后不能自动分开,故B错误;桶中混浊的泥水静置一段时间后,泥沙在重力的作用下下沉,上面的水变清,出现了泥、水自动分离现象,故C正确;电冰箱只有通电工作时,在消耗电能的情况下把热量从冰箱内部低温物体传到冰箱外部的高温物体,故D错误。
3.关于能量的转化下列说法中正确的是(　　)A.满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行B.不但能量的总量保持不变,而且能量的可利用性在逐步提高C.空调机既能制热又能制冷,说明传热不存在方向性D.热量不可能由低温物体传给高温物体而不发生其他变化
【解析】选D。满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发进行,还要遵守热力学第二定律,故A错误;自然界一切发生的能量转化过程都具有单向特性,遵守能量守恒定律,但能量的利用率将下降,即能量的品质在退化,故B错误;空调机既能制热又能制冷是由于消耗电能,不能说明传热不存在方向性,故C错误;根据热力学第二定律,热量不可能由低温物体传给高温物体而不发生其他变化,故D正确。
4.根据热力学定律,下列判断正确的是(　　)A.我们可以把火炉散失到周围环境中的能量全部收集到火炉中再次用来取暖B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行
【解析】选B。热量不能自发地从低温物体传到高温物体,所以不能说把散失的能量全部收集起来重新加以利用,A错;由热力学第二定律可知,B正确;热量从低温物体传给高温物体时一定会发生其他变化,C错;只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的,D错。
5.下列说法正确的是(　　)A.热力学第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性B.电流流过导体转化为内能,反过来,可将内能收集起来,再转化成相同大小的电流C.可以做成一种热机,由热源吸取一定的热量而对外做功D.冰可以熔化成水,水也可以结成冰,这个现象违背了热力学第二定律
【解析】选C。热力学第二定律说明了一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的,但并没有否定以特殊方式利用能量的可能性,故A项错误;功和内能的转化具有方向性,其逆过程是不可能自发实现的,故B项错误;只要不要求吸收的热量全部用来做功而不产生其他影响,可以做成一种热机,由热源吸取一定热量而对外做功,故C项正确;冰熔化成水,水结成冰,伴随着能量的转移,不是自发进行的,没有违背热力学第二定律,故D项错误。
6.能源是当今社会快速发展面临的一大难题。由此,人们想到了永动机,关于第二类永动机,甲、乙、丙、丁4名同学争论不休。甲:第二类永动机不违反能量守恒定律,应该可以制造成功。乙:虽然内能不可能全部转化为机械能,但在转化过程中可以不引起其他变化。丙:摩擦、漏气等因素导致能量损失,第二类永动机也因此才不能制成。丁:内能与机械能之间的转化具有方向性才是第二类永动机不可能制成的原因。你认为以上说法正确的是(　　)A.甲　　　　B.乙　　　　C.丙　　　　D.丁
【解析】选D。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,甲同学说法错误;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,乙同学说法错误;第二类永动机不能制成的原因是违反了热力学第二定律,丙同学说法错误;内能与机械能之间的转化具有方向性才是第二类永动机不可能制成的原因,丁同学说法正确。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)7.(12分)制冷机是一种利用工作物质,使热量从低温物体传到高温物体的装置,通过制冷机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。夏天,将房间一台正在工作的电冰箱的门打开,这是否可以降低室内的平均温度?为什么?
【解析】不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开,尽管可以不断向室内释放冷气,但同时冰箱的箱体也向室内散热,就整个房间来说,由于外界通过导线不断有能量输入,室内的温度会不断升高。答案:见解析
8.(12分)某地的平均风速为5 m/s,已知空气密度是1.2 kg/m3,有一风车,它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面,如果这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能,则该风车带动的发电机功率是多少?
【解析】首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为m=πr2vtρ,这些气流的动能为 mv2,转变的电能为E= mv2×10%,故风车带动电动机功率为 πr2ρv3×10%,代入数据得P≈3.4 kW。答案:3.4 kW
9.(7分)(多选)下列说法正确的是(　　)A.物体吸收热量,其内能一定增加B.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C.第二类永动机不能制成是因为违背了能量守恒定律D.热量不能自发地从低温物体传递到高温物体
【解析】选B、D。根据热力学第一定律,物体吸收热量,但对外做功不明确,所以其内能不一定增加。故A错误;根据热力学第二定律,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。故B正确;第二类永动机不能制成是因为违背了热力学第二定律。故C错误;根据热力学第二定律,热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。故D正确。
10.(7分)(多选)下列说法正确的是(　　)A.能量耗散说明能量在不断减少B.能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性C.热量不可能从低温物体传给高温物体D.根据热力学第二定律,在火力发电机中,燃气的内能不能全部转化为电能
【解析】选B、D。能量耗散是指能量的可利用价值越来越低,由于能量守恒,故能量不会减少,A选项错误;根据热力学定律可知,宏观自然过程自发进行有其方向性,能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性,B选项正确;根据热力学定律可知,能量转化和转移具有方向性,热量不能自发地从低温物体传给高温物体,C选项错误;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,故燃气的内能不能全部变为电能,选项D正确。
【补偿训练】(多选)下列对能量耗散的理解正确的有(　　)A.能量耗散说明能量在不断减少B.能量耗散遵守能量守恒定律C.能量耗散说明能量不能凭空产生,但可以凭空消失D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
【解析】选B、D。在发生能量转化的宏观过程中,其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能,无法再回收利用,这种现象叫能量耗散。能量耗散并不违反能量守恒定律。宇宙的能量既没有减少,也没有消失,它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性,故A、C错误,B、D正确。
11.(7分)下列说法中正确的是(　　)A.由于能量的转化过程符合能量守恒定律,所以不会发生能源危机B.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C.第一类永动机违背热力学第一定律D.自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性
【解析】选D。由于能量转移或转化是有方向性的,虽然能量守恒,但是还会产生能源危机,故A错误;绝对零度只能无限接近,不能达到,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,不是违背了热力学第一定律,故C错误;根据热力学第二定律,自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性,故D正确。
12.(19分)炎炎夏日,两位同学在充满凉意的空调室内,就空调机的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发生了争论。甲同学说:空调机工作时,不断地把热量从室内传到室外,即从低温物体传到高温物体,可见它并不遵循热力学第二定律。乙同学说:热力学第二定律是热力学系统的普遍规律,空调机的工作过程不可能违反它。两人各执一词,都无法使对方信服。请你对他们的论点作出评价。
【解析】空调机和电冰箱都是制冷机,它们的工作原理基本相同。为了便于解析,我们以电冰箱为研究对象,认识它的基本结构和工作过程。从冰箱的原理图可以知道,电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管(节流阀)、蒸发器四个部分组成。这四个部分由管道连接,组成一个密闭的连通器系统,制冷剂作为工作物质,由管道输送,经过这四个部分,完成工作循环。