高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律学案设计

第4节热力学第二定律

自主学习·必备知识

见学用159页

教材研习

教材原句

要点一热力学第二定律

克劳修斯表述：热量不能自发地①从低温物体传到高温物体。该表述阐述的是传热的方向性。

开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全②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。

要点二能量耗散和能源是有限的

分散在环境中的内能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”。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质③下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。

自主思考

①“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”这一说法是否正确？为什么？

答案：提示这一说法是不正确的。热力学第二定律是说热量不能自发地从低温物体传到高温物体。此说法略去了“自发地”，通过外界做功是可以把热量从低温物体传到高温物体的。例如电冰箱的制冷就是这一情况。

②如图所示为国内某柴油机厂所产的单缸柴油机，图中上方部分为水箱。水箱所起的作用是什么?柴油机工作时，内能可以全部转化为机械能吗？为什么？

答案：提示柴油机工作时水箱所起的作用是作为低温热库。在内能向机械能转化的过程中，内能有一部分转移到低温热库（水箱），不可能全部转化为机械能。

③既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？

答案：提示能量是守恒的，但能量耗散却会导致能量品质降低，它将能量从可用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，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内能。故能量虽然不会减少但可利用的高品质能源会越来越少，所以要节约能源。

名师点睛

热力学第二定律的理解

（1）传热的方向性

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。

③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

（2）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：热机输出的机械功与燃料产生的热量的比值。用公式表示：。

互动探究·关键能力

见学用159页

探究点一热力学第二定律的理解

情境探究

1.地球上有大量的海水，它的总质量约为，有人设想让这些海水的温度降低，它将放出的热量，若全部用来发电，这相当于1 800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。

（1）这是一件既经济又没有环境污染的事情，这一想法违背能量守恒定律吗？

（2）这个设想能成功吗？为什么？

答案：提示（1）这一设想从能量转化角度是海水的内能转化为电能，并不违背能量守恒定律。

（2）这种利用海水的内能发电的过程，违背了热力学第二定律，所以不会成功。

2.电冰箱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，通过压缩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。

（1）电冰箱“将热量从低温物体传到高温物体”是否违背热力学第二定律？

（2）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？

答案：提示（1）在电冰箱的实例中，热量确实是从低温物体传到高温物体，但这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机必须工作，所以其不违背热力学第二定律。

（2）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。

探究归纳

1.热力学第二定律的理解

（1）“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有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。

（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。

（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。

（5）热力学第二定律的两种表述是等价的，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。

2.热力学第一定律与第二定律的比较

探究应用

例对热力学第一定律和第二定律的理解，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. 内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化

D. 机械能不能全部转化为内能

答案：

解析：根据热力学第二定律可知，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，项错误；根据热力学第一定律，物体内能的变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，项错误；项是热力学第二定律的表述形式之一；机械能可以全部转化为内能，项错误。

迁移应用

1.（多选）下列哪些过程具有方向性(      )

A. 热传递过程

B. 动能向势能的转化过程

C. 气体的扩散过程

D. 气体向真空中的膨胀过程

答案：  ;   ; 

解析：热传递、气体的扩散和气体在真空中的膨胀都是与热现象有关的宏观自然过程，由热力学第二定律可知，它们都具有方向性，故选项、、正确；动能向势能的转化与热现象无关，不具有方向性，故选项错误。

2.（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

答案：  ; 

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，故项正确；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，故项错误；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故项错误；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，故项正确。

探究点二热力学第二定律的应用

情境探究

1.如图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？

答案：提示（1）不是，这个过程不是自发的，必须有第三者的介入，即必须开启制冷机的压缩机。

（2）不能，吸收的热量不可能全部转化为机械能。

探究归纳

1.热机

（1）热机：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，推动活塞做功，然后排出废气，同时把热量散发到冷凝器或大气中。

根据能量守恒定律有。

（3）热机的效率

把热机做的功与它从热库中吸收的热量的比值叫作热机的效率，用表示，有。

因为，所以，。

这说明热机不可能把吸收的热量全部转化为机械能，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热机不能把它吸收的全部热量转化为机械能。

③因热机工作时，总要向冷凝器或大气散热，不可避免地要释放一部分热量，所以总有。

④热机的效率不可能达到，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，总要有一部分热量要散发到冷凝器或大气中。

2.几个概念的理解

（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。

（2）其他影响：指除了从单一热库吸收热量以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。不是不能从单一热库吸收热量而全部对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动传热是不可能的。

（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。

探究应用

例下列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是(      )  

A. 大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开

B. 将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开

C. 冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来

D. 随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%

答案：

解析：热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，而项不属于热现象。

迁移应用

1.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

答案：

解析：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，气体吸收的热量完全转化为功，但气体体积增大了，项错误；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，项错误；热机不可能把吸收的热量全部转化为机械能，所以热机的效率不可能达到1，项错误，项正确。

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

答案：  ;

解析：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，全部用来对外做功，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，、项正确。

探究点三能源是有限的

情境探究

1.水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石制成，分上下两片，呈圆形。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磨盘和粮食等的内能。

（1）分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？

（2）这些内能最终流散到周围的环境中，但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？

答案：提示（1）做功；

（2）内能品质低。

探究归纳

能量耗散的理解

1.各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。

2.从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。所以，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。

3.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。

4.能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。

探究应用

例（多选）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、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. 能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性

答案：  ;

解析：能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰符合热力学第二定律，故、项正确。

解题感悟

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。

迁移应用

1.（多选）下列关于能源的说法中正确的是(      )

A. 能源是取之不尽，用之不竭的

B. 能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等

C. 大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源

D. 核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大

答案：  ;

解析：尽管能量守恒，但耗散的能量无法重新收集利用，所以能源是有限的，特别是常规能源。