資源簡介

10.4《熱力學第二定律》學習任務單
課題 熱力學第二定律 年級 高二
知識點來源 人教版高中物理選修3-3第十章第四節《熱力學第二定律》
學習目標 物理觀念：1.通過自然界中宏觀過程的方向性，了解熱力學第二定律. 2.了解熱力學第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質. 3.了解什么是第二類永動機，知道為什么它不能制成． 科學思維：能運用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移以及宏觀自然過程的方向性問題．
學習重難點 用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移以及宏觀自然過程的方向性問題．
[課前預習] 一、自然過程的方向性 1．熱傳導具有方向性：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發地從 傳給 ，而低溫物體不可能自發地將熱量傳給高溫物體，要實現低溫物體向高溫物體傳遞熱量，必須 的幫助，因而產生其他影響或引起其他變化。 2．氣體的擴散現象具有 性：兩種不同的氣體可以自發地進入對方，最后成為均勻的混合氣體，但這種均勻的混合氣體，決不會自發地分開而成為兩種不同的氣體。 3．機械能和內能的轉化過程具有方向性：物體在水平面上運動，因摩擦而逐漸停止下來，但絕不可能出現物體吸收原來傳遞出去的 后，在地面上重新運動起來。 4．氣體向真空膨脹具有方向性：氣體可自發地向真空容器膨脹，但絕不可能出現氣體 從容器中流出，容器變為真空。 5．一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是 的。 6．熱力學第二定律：反映宏觀自然過程的 的定律。 二、熱力學第二定律的兩種表述 1．克勞修斯表述 熱量不能自發地從 物體傳到 物體，這就是熱力學第二定律的克勞修斯表述，闡述的是熱傳遞的 。 2．開爾文表述 不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全 ，而不產生其他影響。(即機械能與內能轉化具有方向性) 3．對熱力學第二定律的理解 熱力學第二定律的兩種表述是 ，也可以表述為：氣體向真空的自由膨脹是 。 4．第二類永動機 (1)定義：只從 吸收熱量，使之 而不引起其他變化的熱機。 (2)第二類永動機不可能制成的原因：雖然第二類永動機不違反 ，但大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱庫，熱機要不斷地把吸取的熱量變為有用的功，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫熱庫。 1．自主思考——判一判 (1)溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會自發地從低溫物體傳給高溫物體。( ) (2)第二類永動機違反了熱力學第二定律。( ) (3)熱機的效率可以達到100%。( ) (4)一切與熱現象有關的微觀自然過程都是不可逆的。( ) (5)第二類永動機違反了能量守恒定律。( ) (6)只要對內燃機不斷改進，就可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能。( ) 2．自主探究 (1)溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會從低溫物體傳給高溫物體嗎？ (2)兩個不同的物體接觸時，熱量自發地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發地”的含義是什么？ (3)我們假想：發明一種熱機，并用來對物體做功，將內能全部轉化為動能，而不引起其他變化，這是否可能？ 對熱力學第二定律的理解
【討論總結】 1．在熱力學第二定律的表述中，“自發地”、“不產生其他影響”、“單一熱庫”、“不可能”的涵義 2．熱力學第二定律的實質 3．熱力學第二定律的其他描述 【典例1】(多選)熱力學第二定律指出(　　) A．氣體的擴散過程具有方向性 B．一切形式的能量間的相互轉化都具有方向性 C．熱機效率η≤1 D．大量分子參與的宏觀過程具有方向性 【鞏固訓練】(多選)關于熱力學定律，下列說法正確的是(　　) A．為了增加物體的內能，必須對物體做功或向它傳遞熱量 B．對某物體做功，必定會使該物體的內能增加 C．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變為功 D．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體 E．功轉變為熱的實際宏觀過程是不可逆過程 熱力學第二定律與熱力學第一定律比較
【鞏固總結】 1．兩個定律比較：①熱力學第一定律是指 。②熱力學第二定律是指 。 2．兩類永動機的比較 第一類永動機第二類永動機設計要求不可能的原因
【典例2】(多選)下列說法中正確的是(　　) A．第一類永動機不可能制成是因為它違反了能量守恒定律 B．第二類永動機不可能制成是因為它違反了能量守恒定律 C．熱力學第一定律和熱力學第二定律是相互獨立的 D．熱力學第二定律的兩種表述是等價的 【鞏固訓練】關于兩類永動機和熱力學兩大定律，下列說法正確的是(　　) A．第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第一定律 B．第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第二定律 C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內能，熱傳遞也不一定改變內能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內能 D．由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫吸收熱量，完全變成功也是可能的 【鞏固訓練】(多選)根據熱力學第二定律，可知下列說法中正確的有(　　) A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體 B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體 C．機械能可以全部轉化為熱能，但熱能不可能全部轉化為機械能 D．機械能可以全部轉化為熱能，熱能也可能全部轉化為機械能 【總結感悟】 10.4《熱力學第二定律》課后鞏固練習 1．熱力學定律表明自然界中進行的熱現象的宏觀過程(　　) A．有的只遵守熱力學第一定律 B．有的只遵守熱力學第二定律 C．有的既不遵守熱力學第一定律，也不遵守熱力學第二定律 D．所有的都遵守熱力學第一、第二定律 2．(多選)根據熱力學第二定律，下列判斷正確的有(　　) A．熱機中燃氣的內能不可能全部變成機械能 B．電流的能不可能全部變成內能 C．在火力發電機中，燃氣的內能不可能全部變成電能 D．在熱傳導中，熱量不可能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體 3．下列宏觀過程不能用熱力學第二定律解釋的是(　　) A．大米和小米混合后小米能自發地填充到大米空隙中而經過一段時間大米、小米不會自動分開 B．將一滴紅墨水滴入一杯清水中，會均勻擴散到整杯水中，經過一段時間，墨水和清水不會自動分開 C．冬季的夜晚，放在室外的物體隨氣溫的降低，不會由內能自發地轉化為機械能而動起來 D．隨著節能減排措施的不斷完善，最終也不會使汽車熱機的效率達到100% 4．我們絕不會看到：一個放在水平地面上的物體，靠降低溫度，可以把內能自發地轉化為動能，使這個物體運動起來，其原因是(　　) A．違反了能量守恒定律 B．在任何條件下內能不可能轉化成機械能，只有機械能才能轉化成內能 C．機械能和內能的轉化過程具有方向性，內能轉化成機械能是有條件的 D．以上說法均不正確 5．下列關于熱現象的描述正確的一項是(　　) A．根據熱力學定律，熱機的效率可以達到100% B．做功和熱傳遞都是通過能量轉化的方式改變系統內能的 C．溫度是描述熱運動的物理量，一個系統與另一個系統達到熱平衡時兩系統溫度相同 D．物體由大量分子組成，其單個分子的運動是無規則的，大量分子的運動也是無規律的 6. (多選)如圖1所示，為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內外的管道中不斷循環。在蒸發器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量，經過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是(　　) 圖1 A．熱量可以自發地從冰箱內傳到冰箱外 B．電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能 C．電冰箱的工作原理不違背熱力學第一定律 D．電冰箱的工作原理違背熱力學第一定律 7．用兩種不同的金屬絲組成一個回路，接觸點1插在熱水中，接觸點2插在冷水中，如圖2所示，電流計指針會發生偏轉，這就是溫差發電現象。這一實驗是否違反熱力學第二定律？熱水和冷水的溫度是否會發生變化？簡述這一過程中能的轉化情況。 圖2 8．熱力學第二定律常見的表述有以下兩種： 第一種表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體； 第二種表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。 圖3甲是根據熱力學第二定律的第一種表述畫出的示意圖；外界對制冷機做功，使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體。請你根據第二種表述完成示意圖乙。根據你的理解，熱力學第二定律的實質是____________________________。 　　　圖3 參考答案： 1.解析：選D　熱力學第一、第二定律是熱力學的基本定律，對所有涉及熱現象的宏觀過程都成立。故選項D正確，A、B、C錯誤。 2.解析：選ACD　凡是與熱現象有關的宏觀熱現象都具有方向性。無論采用任何設備和手段進行能量轉化，總是遵循“機械能可全部轉化為內能，而內能不能全部轉化為機械能”，故A正確。由電流熱效應中的焦耳定律可知，電流的能可以全部轉化為內能，故B錯誤。火力發電機發電時，能量轉化的過程為內能→機械能→電能，因為內能→機械能的轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內能必然不能全部變為電能，C正確。熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發進行，必須借助外界的幫助，結果會帶來其他影響，這正是熱力學第二定律第一種表述的主要思想，故D正確。 3.解析：選A　熱力學第二定律反映的是與熱現象有關的宏觀過程的方向性的規律，A不屬于熱現象；由熱力學第二定律可以解釋B、C、D選項。 4.解析：選C　機械能和內能的相互轉化，必須通過做功來實現，故C對。 5.解析：選C　根據熱力學第二定律可知，熱機不可能從單一熱源吸收熱量全部用來做功而不引起其他變化，因此，熱機的效率不可能達到100 %，選項A錯誤；做功是通過能量轉化改變系統的內能，熱傳遞是通過能量的轉移改變系統的內能，選項B錯誤；溫度是表示熱運動的物理量，熱傳遞過程中達到熱平衡時，溫度相同，選項C正確；單個分子的運動是無規則的，大量分子的運動表現出統計規律，選項D錯誤。 6.解析：選BC　熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，要想使熱量從低溫物體傳到高溫物體必須借助于其他系統做功，A錯誤，B正確。熱力學第一定律適用于所有的熱學過程，C正確，D錯誤。 7.解析：溫差發電現象中產生了電能是因為熱水中的內能減少，一部分轉化為電能，一部分傳遞給冷水，不違反熱力學第二定律。 答案：不違反　熱水溫度降低，冷水溫度升高　一部分內能轉化為電能 8.解析：從低溫物體向高溫物體傳遞熱量是通過制冷機完成的，需要外界對制冷機做功；反過來熱量從高溫物體傳向低溫物體，是伴隨著熱機對外界做功同時發生的。 答案：如圖所示　一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性
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