资源简介

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)在电冰箱工作中,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] 随着世界经济的快速发展,能源短缺问题日显突出,成为困扰世界经济发展的重大难题之一。下列有关能量转化的说法正确的是(　A　)
A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化
B.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C.不可能使热量从低温物体传向高温物体
D.能量是守恒的,所以不存在能源短缺问题
解析:根据热力学第二定律的开尔文表述可知,不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化,故A正确;根据热力学第二定律可知,不管对内燃机如何改进,也不可能把内燃机得到的全部内能转化为机械能,故B错误;热量也能从低温物体传向高温物体,但需要有第三者的介入,故C错误;能量虽然是守恒的,但能源不是取之不尽用之不竭的,有些能源耗散后将不再能直接使用,所以存在能源危机,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,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(　AD　)
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
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)下列对能量耗散理解正确的是(　AB　)
A.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
B.能量耗散遵守能量守恒定律
C.能量耗散说明能量可以凭空消失
D.能量耗散说明能量在不断减少
解析:能量耗散遵守能量守恒定律,能量既不会凭空消失,也不会减少,而是以不同形式存在。能量耗散是指在能量转化的过程中,其他形式的能最终转化为热能,流散到周围环境中,而无法被重新收集起来再利用,使能量的可利用率越来越低,反映了能量流动的方向性。故选A、B。
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)下面关于熵的说法正确的是(　ACD　)
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
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(　B　)
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
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.夏天,教室里的空调为同学们提供了舒爽的环境,空调的工作原理如图所示。下列表述正确的是(　B　)
A.空调的工作原理对应的是热力学第一定律的开尔文表述
B.空调的工作原理反映了传热的方向性
C.此原理图中的Q1=Q2
D.此原理图说明热量不能从低温物体传到高温物体
解析:空调的工作原理对应的是热力学第二定律的开尔文表述,A错误;空调的工作原理反映了传热的方向性,热量不能自发地从低温物体传导给高温物体,但在其他能力干预下,可以从低温物体传导给高温物体,B正确;此原理图中的Q1=Q2+W,C错误;此原理图说明在外界干预下,热量能从低温物体传到高温物体,D错误。
3.下列说法正确的是(　C　)
A.煤炭是可再生能源
B.新能源不断开发说明能量可以创生
C.新能源不断替代传统能源可以减少碳排放
D.新能源利用率越来越高就不需要节约能源
解析:煤炭是不可再生能源,选项A错误;虽然新能源不断开发,但是能量是不可以创生的,选项B错误;新能源不断替代传统能源可以减少碳排放,有利于环保,选项C正确;虽然新能源利用率越来越高,但是仍需要节约能源,选项D错误。
4.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(　D　)
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
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
基础巩固练
考点一　对热力学第二定律的理解
1.关于热力学第二定律,下列说法正确的是(　A　)
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.热量不可能从低温物体传向高温物体,热量能自发地从高温物体传向低温物体
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错误。
2.下列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是(　A　)
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%
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,分子热运动越激烈,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.(多选)地球上有很多的海水,它的总质量约为1.4×1018 t,如果这些海水的温度降低0.1 ℃,将要放出5.8×1023 J的热量。有人曾设想利用海水放出的热量,使它完全变成机械能来解决能源危机,但这种机器是不能制成的,关于其原因,下列说法正确的是(　CD　)
A.内能不能转化成机械能
B.内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二定律
D.机械能可全部转化为内能,内能不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
解析:内能可以转化成机械能,如热机,故A错误;内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律,也可以说符合能量守恒定律,故B错误;根据热力学第二定律可知,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C、D正确。
4.关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是(　D　)
A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
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,从单一热源吸收热量完全变成功是可能的
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、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,从单一热源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
5.下列对能量理解正确的是(　B　)
A.能量在被利用的过程中,可利用的效率不变
B.能量转化遵守能量守恒定律
C.能量可以凭空消失
D.自然界中的能量在不断减少
解析:能量在被利用的过程中,可利用的效率是不同的,A错误;由能量守恒定律可知,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另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变,因此能量转化遵守能量守恒定律,B正确,C错误;由能量守恒定律可知,自然界中的能量不会减少,D错误。
6.关于能源与可持续发展,下列说法正确的是(　D　)
A.篮球从空中落下,最后静止在地面上,说明机械能消失了
B.大量使用天然气作燃料符合“低碳生活”理念
C.随着科技的发展,永动机是可以制成的
D.在火力发电中,燃气的内能不可能全部转变为电能
解析:篮球从空中落下,最后静止在地面上,说明机械能转化为了篮球和周围其他物体的内能,或转化为其他形式的能,能量不会消失,故A错误;因天然气主要成分是甲烷,完全燃烧时生成二氧化碳和水,不完全燃烧生成一氧化碳和水,因此大量使用天然气作燃料不符合“低碳生活”理念,故B错误;不需要任何外界的动力而持续对外做功的
机器——永动机,违背了能量守恒定律,永动机是不可以制成的,故C错误;由热力学第二定律可知,任何机械都有效率的问题,因此燃气的内能不可能全部转变为电能,故D正确。
考点三　热力学第二定律的微观解释
7.对于孤立系统中发生的实际过程,下列说法正确的是(　C　)
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
解析:由热力学第二定律可知,系统的熵只能不变或增加,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。
8.(多选)下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　AD　)
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
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
9.(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图,压缩机工作时,强迫制冷剂在电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。对于电冰箱的工作过程,下列说法正确的是(　BC　)
A.热量可以自发地从电冰箱内传到电冰箱外
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: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。
10.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(　D　)
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
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;太阳能最有前途的领域是通过太阳能电池将太阳能直接转化为电能再加以利用,故D正确。
11.如图所示,中国古代有一种玩具名叫饮水鸟。只要在这只玩具鸟的面前放上一杯水,用手把鸟嘴浸到水里,“喝”了一口后,又直立起来。之后,无需人的干预,小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水,然后又会直立起来。就这样周而复始,小鸟不停地点头“喝”水。下列说法正确的是(　A　)
A.饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能
B.水杯中的水干了之后,小鸟还能点头“喝”水
C.这种玩具饮水鸟是一架永动机
D.此现象违背了热力学第二定律
解析:玩具饮水鸟的内部结构如图所示。
其原理是先在鸟嘴上沾一些水,水分蒸发后吸热使得头部气压小于肚子中的气压,从而使肚子中的部分液体压入头部,使重心上移,鸟的身体变得不稳定而发生倾斜,倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面,从而使头部的液体又回流到肚子中,使鸟的身体再回到开始的竖直状态,而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水,鸟嘴的水分蒸发,重复之前的运动,即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能,A正确;根据上述可知,当水杯中的水干了之后,由于不能形成头部和肚子的压强差,鸟不能再上下运动,即鸟不能再点头“喝”水,B错误;这种玩具饮水鸟仍然遵循能量守恒定律,不是一架永动机,C错误;根据上述可知,此现象没有违背热力学第二定律,D错误。
12.(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图,一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中,然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　AD　)
A.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
B.A端流出的气体内能一定大于B端流出的
C.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律,但违背了热力学第二
定律
D.该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律,也满足热力学第二
定律
解析:分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位,从B端流出,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,即A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的,选项A正确;由于气体的内能与温度和质量有关,题中不知两端流出气体的质量关系,所以不能判断出两端流出气体的内能关系,选项B错误;该装置将冷热不均的气体进行分离,喷嘴处有高压,即通过外界做功而实现,并非自发进行,不违背热力学第二定律,能量也保持守恒,选项C错误,D正确。(共51张PPT)
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。
探究·必备知识
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。
「探究新知」
知识点一　热力学第二定律
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」
×
×
×
√
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。
「探究新知」
知识点二　能源是有限的
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)在电冰箱工作中,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] 随着世界经济的快速发展,能源短缺问题日显突出,成为困扰世界经济发展的重大难题之一。下列有关能量转化的说法正确的是(　 　)
A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化
B.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C.不可能使热量从低温物体传向高温物体
D.能量是守恒的,所以不存在能源短缺问题
A
解析:根据热力学第二定律的开尔文表述可知,不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化,故A正确;根据热力学第二定律可知,不管对内燃机如何改进,也不可能把内燃机得到的全部内能转化为机械能,故B错误;热量也能从低温物体传向高温物体,但需要有第三者的介入,故C错误;能量虽然是守恒的,但能源不是取之不尽用之不竭的,有些能源耗散后将不再能直接使用,所以存在能源危机,故D错误。
规律方法
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
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)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:(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,
因为Q1>W,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
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。
规律方法
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
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。
「典例研习」
[例3] (多选)下列对能量耗散理解正确的是(　 　)
A.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
B.能量耗散遵守能量守恒定律
C.能量耗散说明能量可以凭空消失
D.能量耗散说明能量在不断减少
AB
解析:能量耗散遵守能量守恒定律,能量既不会凭空消失,也不会减少,而是以不同形式存在。能量耗散是指在能量转化的过程中,其他形式的能最终转化为热能,流散到周围环境中,而无法被重新收集起来再利用,使能量的可利用率越来越低,反映了能量流动的方向性。故选A、B。
提升·核心素养
「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。
热力学第二定律的微观解释——熵增加原理
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。
ACD
「典例研习」
[例题] (多选)下面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
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。
规律方法
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。
检测·学习效果
1
2
3
4
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
1
2
3
4
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.夏天,教室里的空调为同学们提供了舒爽的环境,空调的工作原理如图所示。下列表述正确的是(　 　)
A.空调的工作原理对应的是热力学第一定律的开尔文表述
B.空调的工作原理反映了传热的方向性
C.此原理图中的Q1=Q2
D.此原理图说明热量不能从低温物体传到高温物体
B
1
2
3
4
1
2
3
4
解析:空调的工作原理对应的是热力学第二定律的开尔文表述,A错误;空调的工作原理反映了传热的方向性,热量不能自发地从低温物体传导给高温物体,但在其他能力干预下,可以从低温物体传导给高温物体,B正确;此原理图中的Q1=Q2+W,C错误;此原理图说明在外界干预下,热量能从低温物体传到高温物体,D错误。
3.下列说法正确的是(　 　)
A.煤炭是可再生能源
B.新能源不断开发说明能量可以创生
C.新能源不断替代传统能源可以减少碳排放
D.新能源利用率越来越高就不需要节约能源
1
2
3
4
C
1
2
3
4
解析:煤炭是不可再生能源,选项A错误;虽然新能源不断开发,但是能量是不可以创生的,选项B错误;新能源不断替代传统能源可以减少碳排放,有利于环保,选项C正确;虽然新能源利用率越来越高,但是仍需要节约能源,选项D错误。
1
2
3
4
4.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
1
2
3
4
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。
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