人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律导学案

第三章热力学定律

第4节热力学第二定律

【素养目标】

1、了解热力学第二定律的发展简史，

2、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成。

3、了解热传导的方向性，

4、了解热力学第二定律的两种表述方法，以及这两种表述的物理实质，

5、了解什么是能量耗散

【必备知识】

知识点一、热力学第二定律

(1)热力学第二定律常见的两种表述：

①按热传递的方向性来表述：不可能使热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。——克劳修斯表述，这是按热传递的方向性来表述的。

②按机械能与内能转化过程的方向性来表述：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。——开尔文表述，这是按机械能与内能转化过程的方向来表述的。

(2)两种表述是等价的。

 可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。

(3)热力学第二定律的意义

揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，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，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。

点睛：热力学第二定律的适用范围

①适用于宏观过程，对微观过程不适用；

②孤立系统有限范围，对整个宇宙不适用。

知识点二、热力学第二定律的理解

(1)一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。

我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的那样的宏观态。自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向着无序发展的。

(2)熵

 ①“熵”的名称是由德国物理学家道尔夫·克劳修斯于1868年提出来的，它代表着宇宙中不能再被转化做功的能量的总和的测定单位，即熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。

熵和系统内能一样，都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。

②热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为Ω 。

③熵与热力学几率的关系：S＝kln Ω，k是波尔兹曼常数。

④熵增加原理：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。因此热力学第二定律也叫做熵增加原理。

(3)热力学第二定律的统计意见

从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡，从熵小的状态向熵大的状态发展。

知识点三、能源是有限的

(1)能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。

(2)能源是指具有高品质的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等。

(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。

(4)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。

【课堂检测】

1．人们采用“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射照度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为。又知地球半径约为。试根据上述数据估算一下太阳每秒辐射到地球的总能量。

【答案】

【详解】

由题意可知太阳常数的标准值

垂直于太阳辐射光的地球的有效面积

故每秒辐射到地球的总能量

2．如图所示，竖直放置的圆柱形气缸由上下两部分组成，上面部分横截面为4S，下面部分横截面为S，两部分高度均为H，气缸顶部导热良好，其余部分绝热。气缸内有一质量为的绝热活塞，将气缸内的理想气体分成上下两部分，初始时两部分气体压强均为p0，温度均为T0。现用电热丝对下面部分气体缓慢加热，并保证上面部分气体温度保持T0不变，不计活塞与气缸之间的摩擦，重力加速度为g。求：

（1）活塞刚离开MN、PQ时下面部分气体的温度T1；

（2）当活塞升高时下面部分气体的温度T2。

【答案】（1）；（2）

【详解】

（1）活塞对MN、PQ压力为零时下部分气体的压强p满足

由查理定律可得

上两式联立解得

（2）当活塞升高时，对上面部分气体

对活塞，由平衡条件

对下面部分气体

解得

【素养作业】

1．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

【详解】A．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；

B．效率为100%的热机是不可能制成的，故B正确；

C．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；

D．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。

故选B。

2．下列说法正确的是（　　）

A．随着科技的进可以使温度降低到零下300摄氏度

B．相对湿度越小，人感觉越潮湿

C．液体与固体是否浸润，是由固体的材料决定

D．露珠呈球形是由于液体表面张力的作用

【答案】D

【详解】A．根据热力学第三定律，绝对零度不可达，也就是零下273.15℃不可达，零下300摄氏度根本不存在，A错误；

B．相对湿度越小，人感觉越干燥，B错误；

C．液体与固体是否浸润，是由固体的材料和液体的性质决定，不仅仅由固体的材料决定，C错误；

D．露珠呈球形是由于液体表面张力的作用，D正确。

故选D。

3．关于能量的转化，下列说法中正确的是（　　）

A．摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的

B．空调既能制热又能制冷说明热传递不存在方向性

C．永动机不存在的原因是能量在某些特殊情况下是不守恒的

D．由于能量的转化过程符合守恒定律，所以不会发生能源危机

【答案】A

【详解】A．根据热力学第二定律可知，摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的，A正确；

B．空调既能制热又能制冷，但是消耗电能，说明在不自发地条件下热传递方向可以逆向，不违背热力学第二定律，B错误；

C．永动机不存在的原因是违背了能量守恒定律，C错误；

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，D错误。

故选A。

4．下列说法中错误的是（　　）

A．温度越高布朗运动越剧烈，说明液体分子的热运动与温度有关

B．对于一定质量的理想气体，温度升高，气体内能一定增大

C．气体总是充满容器，说明气体分子间只存在斥力

D．热量可以从低温物体传递到高温物体

【答案】C

【详解】A．布朗运动说明了液体分子永不停息地做无规则运动。温度越高布朗运动越剧烈，说明液

体分子的热运动与温度有关。故A正确；

B．对于一定质量的理想气体，分子势能忽略不计，气体的内能包含分子动能，温度升高分子的平均动能增大，气体内能一定增大。故B正确；

C．气体总是充满容器，是分子气体分子做永不停息的热运动的结果，并不能够说明气体分子间存在斥力。故C错误；

D．根据热力学第二定律，热量可以从低温物体传递到高温物体，但会引起其它的一些变化。故D正确；

本题选择错误的，故选C。

5．煤、石油、水能、生物能的共同点是（　　）

A．都是来自太阳辐射的能量 B．都是可再生常规能源

C．都是不可再生的能源 D．都是二次能源

【答案】A

【详解】煤、石油、水能、生物能的共同点是都是来自太阳辐射的能量，煤和石油都是不可再生能源，而水能和生物能是可再生能源；从自然界直接获取的能源为一次能源，煤、石油和水能可以从自然界里直接得到，属于一次能源。

故选A。

6．热传导的规律为（　　）

A．热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体

B．热量总是从温度较高的物体传递给温度较低的物体

C．热量总是从内能较多的物体传递给内能较少的物体

D．热量总是从比热容较大的物体传递给比热容较小的物体

【答案】B

【详解】AB．热量总是自发的从温度高的物体传递给温度低的物体；也可以从温度低的物体传递到温度高度的物体，但引起其它的变化；不能说热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体，故A错误，B正确；

C．热量总是从温度高的物体传递到温度低的物体，与内能多少没有关系，故C错误；

D．热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体，和物体的比热容没有关系，故D错误。

故选B。

7．以下关于热运动的说法中正确的是（　　）

A．做功只能改变物体的机械能而热传递只能改变物体的内能

B．自然界中可以存在上万度的高温，但低温的极限是0开

C．凡是能量守恒的过程一定能够自发地发生

D．布朗运动是分子永不停息的无规则热运动

【答案】B

【详解】A．做功是能量的转化，热传递是能量的转移，这两者在改变物体内能方面是等效的，A错误；

B．热力学第三定律的内容是绝对零度永远无法达到，B正确；

C．一个过程同时要满足能量守恒定律和热力学第二定律才可发生，比如热量不能自发的从低温物体传递到高温物体，C错误；

D．布朗运动是悬浮颗粒受到周围液体分子或气体分子撞击不平衡产生的无规则运动，不是分子的无规则运动，D错误。

故选B。

8．如图所示，绝热的汽缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分，活塞质量不计，活塞用销钉锁住，活塞与汽缸之间没有摩擦，汽虹左边装有一定质量的理想气体，右边为真空，现在拔去销钉，抽去活塞，让气体向右边的真空做绝热自由膨胀，下列说法正确的是（　　）

A．气体在向真空膨胀的过程中对外做功，气体内能减少

B．气体在向真空膨胀的过程中，分子平均动能变小

C．气体在向真空膨胀的过程中，气体内能增加

D．若无外界的干预，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空

【答案】D

【详解】

ABC．气体在向右边的真空膨胀的过程中没有力的作用，所以气体不做功，即W=0，绝热过程，Q=0，根据热力学第一定律

可知

所以气体内能不变，温度不变，分子的平均动能不变，故ABC错误；

D．无外界的干预，根据热力学第二定律可知，涉及热现象的宏观过程具有方向性，因此，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空，故D正确。

故选D。