资源简介

(共48张PPT)
4　热力学第二定律
1.阅读教材,知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性,了解能量耗散和品质降低的内容,形成物理观念。2.理解热力学第二定律的两种表述,学会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,提高分析推理能力,培养科学思维。3.通过对热机效率的探讨,揭示热机效率不能达到100%的实质,培养科学探究的能力。
[定位·学习目标]　
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　热力学第二定律
1.自然界发生的过程的特点
(1)导致能量创生或能量消失的过程是 出现的。
(2)涉及热现象的过程可以自发地朝 进行,而相反的过程,即使不违背能量守恒定律,也 自发地进行。
不可能
某个方向
不会
2.热力学第二定律的两种表述
(1)内容。
①克劳修斯表述:热量不能自发地从 物体传到 物体。(该表述阐述了传热的 )
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 )
(2)意义:反映了与热现象有关的宏观自然过程的 。
低温
高温
方向性
完全变成功
方向性
方向性
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)在自然界中只要符合能量守恒定律的过程都能够自发地进行。(　 　)
(2)有些热现象的宏观自然过程是可逆的。(　 　)
(3)热量不可能从低温物体传到高温物体。(　 　)
(4)热机工作时,热量不可能完全转化为机械能。(　 　)
×
「新知检测」
×
×
√
「探究新知」
知识点二　能源是有限的
1.能量的地位
自然界的一切变化,人类社会的所有活动,都伴随着 的转移和转化。
2.能量的特点
能量在数量上虽然守恒,但其转移和转化却具有 。在各种各样的运动中的不同形式的能,最终都转化为 ,流散到周围的 中。
能量
方向性
内能
环境
3.能量耗散
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 聚集起来驱动机器 了,这样的转化过程叫作“能量耗散”。
4.能源及有限性
(1)能源定义:指具有 的容易利用的储能物质,例如石油、天然气、煤等。
(2)能源的有限性:能源的使用过程中虽然 保持守恒,但能量的
下降了。虽然能量总量不会减少,但 会逐步减少,因此能源是有限的资源。
自动
做功
高品质
能的总量
品质
能源
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)根据能量守恒定律可知,节约能源是没有必要的。(　 　)
(2)能量耗散过程中能量仍守恒。(　 　)
(3)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方向性。
(　 　)
(4)既然能量总量保持不变,因此能源不会减少。(　 　)
「新知检测」
×
√
√
×
突破·关键能力
要点一　对热力学第二定律的理解
「情境探究」
1.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,开机后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。
探究:(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
【答案】 (1)在电冰箱工作时,热量是从低温物体传到高温物体,但这不是自发的过程,这个过程有第三者介入,即压缩机在工作,所以不违背热力学第二定律。
(2)当电冰箱工作足够长的时间关机后,你能确定热量的传递方向吗
【答案】 (2)能。电冰箱工作足够长的时间后内部温度较低,关机后,热量一定从外界高温空气传向电冰箱内。
2.地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018 t,有人设想让这些海水的温度降低0.1 ℃,它将放出约5.8×1023 J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。
探究:(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
【答案】 (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)这个设想能成功吗 为什么
【答案】 (2)不能成功。这是由于海水中的热量不可能从海水中取出使之完全变成功,而不产生其他影响。
「要点归纳」
1.对热力学第二定律中,“自发地”“单一热库”“不可能”“不产生其他影响”的理解
(1)自发地:指热量在传递过程中不需要借助其他物体便可从高温物体“自发地”传给低温物体。
(2)单一热库:指温度均匀并且恒定不变的系统。
(3)不可能:在从单一热库吸收热量对外做功时,不论用任何办法都不可能使之完全变成功。
(4)不产生其他影响:发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生任何方面的影响。
2.对热力学第二定律的理解
内能 转移 阐述了传热的方向性。传热的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行,但相反方向却不能自发地进行
能量 转化 阐述了机械能与内能转化的方向性。机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部用来做功以转化成机械能,而不产生其他影响
实质 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
要点 (1)微观上描述与分子无规则运动有关的现象。
(2)能量角度只涉及内能转移和其他能与内能的转化
举例 (1)传热过程的方向性。
(2)扩散现象的方向性。
(3)机械能和内能转化的方向性。
(4)气体向真空中自由膨胀的方向性。
(5)电能和内能转化的方向性
[例1] 热力学第二定律表明(　　)
[A] 不可能从单一热库吸收热量使之全部变为有用功
[B] 摩擦生热的过程是不可逆的
[C] 在热机中,燃气的内能可全部用于对外做功
[D] 热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体
「典例研习」
B
【解析】 可以从单一热库吸收热量,使之完全变为有用功,但是会引起其他的变化,故A错误;根据热力学第二定律可知,机械能转化为内能的过程具有方向性,是不可逆过程,故B正确;机械能可以全部转化为内能,而在热机中内能不可能全部转化为机械能,故C错误;热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体,若有外界做功,热量可以从低温物体传递到高温物体,比如电冰箱,故D错误。
对热力学第二定律理解的两点说明
(1)理解热力学第二定律的关键在于“自发”和“不引起其他变化”。
(2)热量可以从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传到高温物体,只不过前者能自发地进行,后者必须借助外界的帮助;机械能可以全部转化为内能,而内能要全部转化为机械能肯定会引起其他变化。
·规律方法·
要点二　热机和第二类永动机
「情境探究」
如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图。
探究:(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
【答案】 (1)不是,热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。
【答案】 (2)否,热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来对外做功,剩余的释放到低温热库。
(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
「要点归纳」
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)工作原理:工作物质从高温热库吸收热量Q1,推动活塞做功W,使一部分内能转化为机械能,另外一部分热量Q2排放给低温热库(冷凝器或大气)。
因为Q1>W,所以η<1。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。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。
2.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。
3.两类永动机的比较
项目 第一类永动机 第二类永动机
设计 思路 不消耗任何能量,可以不断对外做功(或只给予很小的能量启动后,可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能(或从单一热库吸收热量完全变成
功),而不引起其他变化
理论错误 违背能量守恒定律 违背热力学第二定律
[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,只有单一的热库,能将从单一热库吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机是第二类永动机
[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,而不引起其他变化
AD
「典例研习」
【解析】 根据所学的热机知识可知选项A正确;第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反了热力学第二定律,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D正确,C错误。
永动机问题的分析思路
(1)热力学第一定律是能量守恒定律在热力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现象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。
·规律方法·
要点三　能源是有限的
「情境探究」
水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石头制成,分上下两片,呈圆柱形,如图所示。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。
探究:(1)这是通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了
【答案】 (1)做功。
(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】 (2)内能品质低。
「要点归纳」
1.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。
2.对能量耗散的理解
(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。
[例3] (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流散的内能无法自动聚集起来驱动机器做功。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方向性
CD
「典例研习」
【解析】 能量耗散的过程是能量向品质低的内能转变的过程,但是总的能量是守恒的,能量不能凭空产生,也不能凭空消失,故A错误,C正确;能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性,符合热力学第二定律,故B错误;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方向性,故D正确。
提升·核心素养
热力学第二定律的微观解释——熵增加原理
「核心归纳」
1.对熵的理解
(1)熵是反映系统无序程度的物理量,系统越混乱,无序程度越大,这个系统的熵就越大。
(2)在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,如果过程可逆,则熵不变;如果过程不可逆,则熵增加。
2.对熵增加原理的理解
(1)对于孤立的热力学系统而言,所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程,因此,总是朝着熵增加的方向进行。或者说,一个孤立系统的熵永远不会减小。这就是熵增加原理。
(2)从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,熵值越大代表着越无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
「典例研习」
[例题] (多选)下列关于熵的说法正确的是(　 　)
[A] 熵是物体内分子运动无序程度的量度
[B] 与热现象有关的一个自发的过程总是向熵减小的方向进行
[C] 热力学第二定律的微观实质是与热现象有关的自发宏观过程朝熵增加的方向进行
[D] 熵值越大,代表系统分子运动越无序
ACD
【解析】 熵是热力学系统内分子运动无序程度的量度,故A正确;与热现象有关的一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行,故B错误;热力学第二定律的微观实质是与热现象有关的自发宏观过程朝熵增加的方向进行,热力学第二定律又称为熵增加原理,故C正确;熵值越大,表明系统内分子运动越无序,故D正确。
关于熵的四点注意
(1)熵的微观意义:熵是系统内分子运动无序性的量度。
(2)熵不是守恒的量,孤立系统经过一个不可逆过程,熵总是增加的。
(3)熵的本质:熵是系统微观混乱度的量度,混乱度越大,熵值也越大。
(4)一个孤立系统在自然可逆过程中,总熵不变。
·规律方法·
检测·学习效果
1.下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　　)
[A] 所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生
[B] 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
[C] 机械能可以全部转化为内能,在不产生其他影响的情况下,内能可以全部用来做功而转化成机械能
[D] 气体向真空的自由膨胀是可逆的
B
【解析】 符合能量守恒定律,但违背热力学第二定律的宏观过程而不能发生,A错误;根据热力学第二定律可知热现象具有方向性,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,B正确;机械能可以全部转化为内能,在不产生其他影响的情况下,内能无法全部用来做功而转化成机械能,C错误;根据热力学第二定律可知热现象具有方向性,气体向真空的自由膨胀是不可逆
的,D错误。
2.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
C
【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,A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,B错误;C项是热力学第二定律的表述形式之一,C正确;机械能可以全部转化为内能,D错误。
3.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,汽缸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,系统的熵不可能增加
[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
D
【解析】 气体在向右边的真空膨胀的过程中没有受力物体,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ΔU=Q+W,可知 ΔU=0,所以气体内能不变,温度不变,分子的平均动能不变,故A、B错误;根据熵增加原理可知,气体在向真空膨胀的过程中,系统的熵是增加的,故C错误;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,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,故D正确。
感谢观看4　热力学第二定律
[定位·学习目标]　1.阅读教材,知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性,了解能量耗散和品质降低的内容,形成物理观念。2.理解热力学第二定律的两种表述,学会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,提高分析推理能力,培养科学思维。3.通过对热机效率的探讨,揭示热机效率不能达到100%的实质,培养科学探究的能力。
知识点一　热力学第二定律
探究新知
1.自然界发生的过程的特点
(1)导致能量创生或能量消失的过程是不可能出现的。
(2)涉及热现象的过程可以自发地朝某个方向进行,而相反的过程,即使不违背能量守恒定律,也不会自发地进行。
2.热力学第二定律的两种表述
(1)内容。
①克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(该表述阐述了传热的方向性)
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。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)
(2)意义:反映了与热现象有关的宏观自然过程的方向性。
新知检测
　[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)在自然界中只要符合能量守恒定律的过程都能够自发地进行。(　×　)
(2)有些热现象的宏观自然过程是可逆的。(　×　)
(3)热量不可能从低温物体传到高温物体。(　×　)
(4)热机工作时,热量不可能完全转化为机械能。(　√　)
知识点二　能源是有限的
探究新知
1.能量的地位
自然界的一切变化,人类社会的所有活动,都伴随着能量的转移和转化。
2.能量的特点
能量在数量上虽然守恒,但其转移和转化却具有方向性。在各种各样的运动中的不同形式的能,最终都转化为内能,流散到周围的环境中。
3.能量耗散
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“能量耗散”。
4.能源及有限性
(1)能源定义: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。
(2)能源的有限性: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,但能源会逐步减少,因此能源是有限的资源。
新知检测
　[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)根据能量守恒定律可知,节约能源是没有必要的。(　×　)
(2)能量耗散过程中能量仍守恒。(　√　)
(3)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方向性。(　√　)
(4)既然能量总量保持不变,因此能源不会减少。(　×　)
要点一　对热力学第二定律的理解
情境探究
1.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,开机后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。
探究:(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)当电冰箱工作足够长的时间关机后,你能确定热量的传递方向吗
【答案】 (1)在电冰箱工作时,热量是从低温物体传到高温物体,但这不是自发的过程,这个过程有第三者介入,即压缩机在工作,所以不违背热力学第二定律。
(2)能。电冰箱工作足够长的时间后内部温度较低,关机后,热量一定从外界高温空气传向电冰箱内。
2.地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018 t,有人设想让这些海水的温度降低0.1 ℃,它将放出约5.8×1023 J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。
探究:(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】 (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)不能成功。这是由于海水中的热量不可能从海水中取出使之完全变成功,而不产生其他影响。
要点归纳
1.对热力学第二定律中,“自发地”“单一热库”“不可能”“不产生其他影响”的理解
(1)自发地:指热量在传递过程中不需要借助其他物体便可从高温物体“自发地”传给低温物体。
(2)单一热库:指温度均匀并且恒定不变的系统。
(3)不可能:在从单一热库吸收热量对外做功时,不论用任何办法都不可能使之完全变成功。
(4)不产生其他影响:发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生任何方面的影响。
2.对热力学第二定律的理解
内能 转移 阐述了传热的方向性。传热的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行,但相反方向却不能自发地进行
能量 转化 阐述了机械能与内能转化的方向性。机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部用来做功以转化成机械能,而不产生其他影响
实质 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
要点 (1)微观上描述与分子无规则运动有关的现象。 (2)能量角度只涉及内能转移和其他能与内能的转化
举例 (1)传热过程的方向性。 (2)扩散现象的方向性。 (3)机械能和内能转化的方向性。 (4)气体向真空中自由膨胀的方向性。 (5)电能和内能转化的方向性
典例研习
[例1] 热力学第二定律表明(　　)
[A] 不可能从单一热库吸收热量使之全部变为有用功
[B] 摩擦生热的过程是不可逆的
[C] 在热机中,燃气的内能可全部用于对外做功
[D] 热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体
【答案】 B
【解析】 可以从单一热库吸收热量,使之完全变为有用功,但是会引起其他的变化,故A错误;根据热力学第二定律可知,机械能转化为内能的过程具有方向性,是不可逆过程,故B正确;机械能可以全部转化为内能,而在热机中内能不可能全部转化为机械能,故C错误;热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体,若有外界做功,热量可以从低温物体传递到高温物体,比如电冰箱,故D错误。
对热力学第二定律理解的两点说明
(1)理解热力学第二定律的关键在于“自发”和“不引起其他变化”。
(2)热量可以从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传到高温物体,只不过前者能自发地进行,后者必须借助外界的帮助;机械能可以全部转化为内能,而内能要全部转化为机械能肯定会引起其他变化。
要点二　热机和第二类永动机
情境探究
如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图。
探究:(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
【答案】 (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对外做功,剩余的释放到低温热库。
要点归纳
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)工作原理:工作物质从高温热库吸收热量Q1,推动活塞做功W,使一部分内能转化为机械能,另外一部分热量Q2排放给低温热库(冷凝器或大气)。
(3)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=。
因为Q1>W,所以η<1。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。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。
2.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。
3.两类永动机的比较
项目 第一类永动机 第二类永动机
设计 思路 不消耗任何能量,可以不断对外做功(或只给予很小的能量启动后,可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能(或从单一热库吸收热量完全变成功),而不引起其他变化
理论 错误 违背能量守恒定律 违背热力学第二定律
典例研习
[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,只有单一的热库,能将从单一热库吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机是第二类永动机
[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,而不引起其他变化
【答案】 AD
【解析】 根据所学的热机知识可知选项A正确;第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反了热力学第二定律,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D正确,C错误。
永动机问题的分析思路
(1)热力学第一定律是能量守恒定律在热力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现象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。
要点三　能源是有限的
情境探究
水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石头制成,分上下两片,呈圆柱形,如图所示。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。
探究:(1)这是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】 (1)做功。
(2)内能品质低。
要点归纳
1.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。
2.对能量耗散的理解
(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。
典例研习
[例3] (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流散的内能无法自动聚集起来驱动机器做功。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方向性
【答案】 CD
【解析】 能量耗散的过程是能量向品质低的内能转变的过程,但是总的能量是守恒的,能量不能凭空产生,也不能凭空消失,故A错误,C正确;能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性,符合热力学第二定律,故B错误;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方向性,故D正确。
热力学第二定律的微观解释——熵增加原理
核心归纳
1.对熵的理解
(1)熵是反映系统无序程度的物理量,系统越混乱,无序程度越大,这个系统的熵就越大。
(2)在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,如果过程可逆,则熵不变;如果过程不可逆,则熵增加。
2.对熵增加原理的理解
(1)对于孤立的热力学系统而言,所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程,因此,总是朝着熵增加的方向进行。或者说,一个孤立系统的熵永远不会减小。这就是熵增加原理。
(2)从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,熵值越大代表着越无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
典例研习
[例题] (多选)下列关于熵的说法正确的是(　　)
[A] 熵是物体内分子运动无序程度的量度
[B] 与热现象有关的一个自发的过程总是向熵减小的方向进行
[C] 热力学第二定律的微观实质是与热现象有关的自发宏观过程朝熵增加的方向进行
[D] 熵值越大,代表系统分子运动越无序
【答案】 ACD
【解析】 熵是热力学系统内分子运动无序程度的量度,故A正确;与热现象有关的一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行,故B错误;热力学第二定律的微观实质是与热现象有关的自发宏观过程朝熵增加的方向进行,热力学第二定律又称为熵增加原理,故C正确;熵值越大,表明系统内分子运动越无序,故D正确。
关于熵的四点注意
(1)熵的微观意义:熵是系统内分子运动无序性的量度。
(2)熵不是守恒的量,孤立系统经过一个不可逆过程,熵总是增加的。
(3)熵的本质:熵是系统微观混乱度的量度,混乱度越大,熵值也越大。
(4)一个孤立系统在自然可逆过程中,总熵不变。
1.下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　　)
[A] 所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生
[B] 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
[C] 机械能可以全部转化为内能,在不产生其他影响的情况下,内能可以全部用来做功而转化成机械能
[D] 气体向真空的自由膨胀是可逆的
【答案】 B
【解析】 符合能量守恒定律,但违背热力学第二定律的宏观过程而不能发生,A错误;根据热力学第二定律可知热现象具有方向性,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,B正确;机械能可以全部转化为内能,在不产生其他影响的情况下,内能无法全部用来做功而转化成机械能,C错误;根据热力学第二定律可知热现象具有方向性,气体向真空的自由膨胀是不可逆的,D错误。
2.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】 C
【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,A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,B错误;C项是热力学第二定律的表述形式之一,C正确;机械能可以全部转化为内能,D错误。
3.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,汽缸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,系统的熵不可能增加
[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
【解析】 气体在向右边的真空膨胀的过程中没有受力物体,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ΔU=Q+W,可知 ΔU=0,所以气体内能不变,温度不变,分子的平均动能不变,故A、B错误;根据熵增加原理可知,气体在向真空膨胀的过程中,系统的熵是增加的,故C错误;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,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,故D正确。
课时作业
(分值:60分)
基础巩固练
考点一　对热力学第二定律的理解
1.(6分)(多选)关于热力学第二定律,下列说法正确的是(　　)
[A] 热机不可能将内能全部转化为机械能
[B] 热力学第二定律是物理学家通过实验由理论推导得出来的结果
[C] 第二类永动机不可能制成的原因是机械能不能全部转化为内能
[D] 热量能自发地从高温物体传向低温物体
【答案】 AD
【解析】 由热力学第二定律可知热机的效率不可能达到100%,则热机中内能不可能全部转化为机械能,故A正确;热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律,故B错误;第二类永动机不可能制成的原因是内能不能全部转化为机械能,故C错误;热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但在外力做功的情况下可以从低温物体传到高温物体,热量能自发地从高温物体传向低温物体,故D正确。
2.(4分)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】 A
【解析】 大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中,这种现象与温度无关,不是热现象,不能用热力学第二定律解释,A符合题意; 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,这种现象与温度有关,温度越高,分子热运动越剧烈,扩散越快,根据热力学第二定律,墨水和清水不会自动分开,B不符合题意;冬季的夜晚,放在室外的物体随气温的降低,物体的内能减少,根据热力学第二定律,内能不会自发地转化为机械能而动起来,C不符合题意;随着节能减排措施的不断完善,根据热力学第二定律,最终也不会使汽车热机的效率达到100%,D不符合题意。
3.(6分)(多选)关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是(　　)
[A] 第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
[B] 第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
[C] 由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能
[D] 由热力学第二定律可知,从单一热库吸收热量完全变成功是可能的
【答案】 AD
【解析】 第一类永动机违反能量守恒定律,第二类永动机违反热力学第二定律,故A正确,B错误;由热力学第一定律 ΔU=W+Q可知,做功和传热都可以改变系统的内能,同时做功和传热不一定会改变内能,故C错误;由热力学第二定律可知,从单一热库吸收热量完全变成功是可能的,但会引起其他变化,故D正确。
考点二　能量与能源
4.(4分)关于能源,下列说法正确的是(　　)
[A] 太阳能是一种清洁能源
[B] 煤炭和石油是可再生能源
[C] 水能、风能是不可再生能源
[D] 核废料没有放射性,对环境污染极小
【答案】 A
【解析】 太阳能是一种清洁能源,故A正确;煤炭和石油是不可再生能源,故B错误;水能、风能是可再生能源,故C错误;核废料具有放射性,对环境污染极大,故D错误。
5.(4分)关于能源与可持续发展,下列说法正确的是(　　)
[A] 因为自然界的能量是守恒的,所以不会有“能源危机”
[B] 能量耗散说明自然界的能量正在不断减少
[C] 实现可持续发展,一方面要大力提倡多使用能源,另一方面要开发可再生能源以及对生态环境的污染程度低的清洁能源,推动形成人与自然和谐发展的生态文明
[D] 水能为可再生能源,水电站是利用水能的重要形式
【答案】 D
【解析】 在利用能源的过程中,能量是守恒的,但在可利用的品质上降低了,所以,即使自然界的能量是守恒的,仍然会有“能源危机”,故A、B错误;实现可持续发展,一方面要大力提倡节能,而不是多使用能源,另一方面要开发可再生能源以及对生态环境的污染程度低的清洁能源,推动形成人与自然和谐发展的生态文明,故C错误;水能是可再生能源,水电站是利用水能的重要形式,故D正确。
考点三　热力学第二定律的微观解释
6.(4分)对于孤立系统中发生的实际过程,下列说法正确的是(　　)
[A] 系统的总熵只能减小,不可能增加
[B] 系统的总熵可能增大,可能不变,还可能减小
[C] 系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展
[D] 系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
【答案】 C
【解析】 由热力学第二定律可知,系统的总熵只能不变或增加,而不可能减小,故A、B错误;系统只能自发地从比较有序的状态向更无序的状态发展,故C正确,D错误。
7.(6分)(多选)下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　　)
[A] 从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律
[B] 一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
[C] 有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行,有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
[D] 在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小
【答案】 AD
【解析】 从热力学第二定律的微观本质看,一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行,我们知道热力学第二定律是一个统计规律,故A正确,B、C错误,在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,故D正确。
综合提升练
8.(6分)(多选)发动机热效率是指发动机在工作过程中实际输出的有用功与燃料燃烧所释放热量的百分比。下列关于热现象的说法正确的是(　　)
[A] 通过技术进步,发动机的热效率可以达到100%
[B] 根据能量守恒定律,可以把燃烧释放的能量重新收集起来变为机械能,而不引起其他变化
[C] 不可能把燃料燃烧释放的热量全部用来做功,而不引起其他变化
[D] 汽车刹车时能把动能全部转化为内能
【答案】 CD
【解析】 根据热力学第二定律,热机效率不能达到100%,A错误;由热力学第二定律的表述: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,可知不可能把燃料燃烧释放的热量全部用来做功,而不引起其他变化,B错误,C正确;机械能可以全部转化为内能,因此汽车刹车时能把动能全部转化为内能,D正确。
9.(4分)某校中学生提出了下列四个设想方案,从理论上讲可行的是(　　)
[A] 制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功
[B] 制作一种制冷设备,使温度降至绝对零度以下
[C] 汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气,想办法使它们自发分离,既清洁了空气,又变废为宝
[D] 将屋顶盖上太阳能板,可直接用太阳能来解决照明和热水问题
【答案】 D
【解析】 根据热力学第二定律可知,在不产生其他影响时,内能不能全部转化为机械能,因此从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响是不可能实现的,故A错误;绝对零度是温度的极值,是不能达到的,故B错误;根据熵增加原理可知,混合气体不会自发分离变得有序,只能变得更为无序更混乱,故C错误;通过太阳能电池将太阳能直接转化为电能再加以利用是可行的,故D正确。
10.(12分)汽车内燃机汽缸内汽油燃烧时,气体体积膨胀推动活塞对外做功,已知在某次对外做功的过程中汽油燃烧释放的化学能为1×103 J,因尾气排放、汽缸发热等对外散失的热量为 2.5×102 J,则:
(1)该内燃机对外所做的功为多少
(2)该内燃机的效率为多少
(3)随着科技的进步,不断设法减小热量损失,则内燃机的效率不断提高,效率有可能达到100%吗 为什么
【答案】 (1)7.5×102 J　(2)75%　(3)见解析
【解析】 (1)根据热机原理,得
W=Q1-Q2=1×103 J-2.5×102 J=7.5×102 J。
(2)根据热机的效率的定义,得
η=×100%=×100%=75%。
(3)效率不可能达到100%,因为无论如何,我们不可能把热量损失减小至零。

展开更多......

收起↑