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

热力学第二定律

【学习目标】

一、知识与技能

1．了解热传导过程的方向性。

2．了解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的物理实质。

3．了解什么是能量耗散，知道能源是有限的。

二、过程与方法

培养学生通过日常生活现象概括物理规律的能力。

三、情感、态度与价值观

知道要有效地利用自然界提供的各种能源，必须遵循自然界的规律。

【学习重难点】

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。

【学习过程】

一、热力学第二定律

1．热力学第二定律的一种表述——克劳修斯表述（热传导的方向性）

（1）热力学第二定律（概念）：反映________________过程的___________的定律。

（2）克劳修斯表述：热量不能自发地从________________传到_______________。即热传导的过程具有_________________。

2．热力学第二定律的另一种表述——开尔文表述（机械能与内能转化的方向性）

（1）热机

①热机工作的两个阶段

第一个阶段是___________________，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_____________________，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。用公式表示为______________________。

（2）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。即机械能与内能转化具有___________________。

（3）热力学第二定律的其他描述

①气体向真空的自由膨胀是_______________的。

②一切宏观自然过程的进行都具有_____________________。

3．第二类永动机

①定义

只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化的___________。

②第二类永动机不可能制成

第二类永动机不违背______________________，但违背________________________。

4．热力学第一定律和热力学第二定律的关系。

（1）热力学第一定律揭示了_________________和_______________对改变物体内能的规律关系ΔU＝_____________________，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。热力学第一定律就是_____________与其他能量发生转化时的能量守恒定律，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。热力学第一定律只有一种表述形式。

（2）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___________。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。告诫人们：第二类永动机不可能制成。热力学第二定律有_____________表述形式。

（3）两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。

5．两类永动机的比较

判一判

（1）任何物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能的总和。（    ）

（2）满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行。（    ）

（3）将海水温度自动下降时释放的内能可以全部转化为机械能。（    ）

（4）能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。（    ）

提示：（1）×  （2）×  （3）×  （4）√

二、能源是有限的

根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、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。这样的转化过程叫作“___________________”。

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。虽然能量总量不会减少，但____________________会逐步减少，因此______________是有限的资源。

三、熵与熵增加原理

自然界的很多过程是________________的。

例如，一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空。抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。

1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫做孤立系统。

在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是____________________。

【巩固练习】

1．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的原因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

2．根据热力学第二定律，下列判断正确的（    ）

A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能

B．电流的能不可能全部变成内能

C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能

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

答案：ACD

3．下列说法正确的是（    ）

A．在自然条件下，热传递的过程是不可逆的

B．热量不可能由高温物体传递给低温物体

C．气体的扩散过程具有方向性

D．一切形式能量转化都不具有方向性

答案：AC

4．下列说法中可行的是（    ）

①将地球上所有海水的温度降低0.1℃，以放出大量内能供人类使用

②制造一种机器，把物体与地面摩擦所产生的热量全部收集起来再全部加以使用

③建造一只可以从海洋中提取热量的船，把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转

④制造一种效率为100％的热机

A．①可行      B．①④可行      C．②④可行      D．①②③④都不可行

答案：D

5．根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是（    ）

A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化

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，而不引起其它的变化的热机是可实现的

C．致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中而不引起其它变化

D．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化

答案：AD

6．根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（    ）

A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其它变化

B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，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．分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小

D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大

答案：B

7．根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有（    ）

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．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能

D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能

答案：BD

8．下列说法中，正确的是（    ）

A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性

B．热量不可能由低温物体传给高温物体

C．气体的扩散过程具有方向性

D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性

答案：C