資源簡介

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4. 熱力學第二定律
人教版（2019）物理（選擇性必修第三冊）
第三章 熱力學定律
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
正確教育
素養目標
1.通過對自然界中與熱現象有關的宏觀過程方向性的實例分析，了解歸納熱力學第二定律的過程和方法
2.能用熱力學第二定律解釋常見的不可逆過程，即自然界中的能量轉換、轉移以及方向性問題
3.了解能量與能源的區別以及能源的有限性
一滴紅色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變紅。從系統的角度來看，擴散之前是一種狀態，擴散后是另一種狀態。那么，水中擴散后的顏料能否自發地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？
將一塊燒紅的鐵塊投入冷水中，會發生什么現象？
鐵塊的溫度降低，水的溫度升高，最終兩者溫度相同。
會不會出現鐵塊溫度更高，水的溫度更低的情況？
正確教育
宏觀自然過程
的方向性
衣服不整理就會很散亂
思考
一些事件的發展過程是不是具有方向性、不可逆性
水往低處流
氣體擴散具有方向性
思考
均勻混合的空氣與溴氣過一段時間會不會自發地變的界線分明？
視頻演示：氣體的擴散現象
擴散現象進行是有方向的，過程是不可逆的。（微觀）
把剛煮好的熱雞蛋放在冷水中，過一會幾，雞蛋的溫度降低，水的溫度什高，最后水和雞蛋的溫度相同。
是否可能發生這樣的現象：原來溫度相同的水和雞蛋過一會兒水的溫度自發的降低而雞蛋溫度自發上升，生蛋變成熟蛋？你能得出什么結論？
熱量自發地由高溫物體向低溫物體傳遞的過程是不可逆的。（宏觀）
思考
電冰箱的內部溫度比外部溫度低，為什么致冷系統還能不斷地把箱內熱量傳給外界的空氣？
電冰箱制冷系統
貯藏的食品
大氣
熱量
熱量
電源
做功
熱傳導的方向性
熱傳導的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發地進行，但是向相反的方向卻不能自發地進行。
要實現相反方向的過程，必須借助外界的幫助，因而產生其它影響或引起其它變化。
機械能和內能的轉化具有方向性
一個在水平地面上運動的物體，由于克服摩擦力做功，最后要停下來。在這個過程中，物體的動能轉化成為內能，使物體和地面的溫度升高。
思考
我們能不能看到這樣的現象：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。
物體間的傳熱
氣體的膨脹
擴散現象
有摩擦的機械運動
熱現象
特定的方向
溫度由高到低
體積由小到大
密度由密到疏
由機械能到內能
反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學第二定律
正確教育
熱力學第二定律
熱力學第二定律
在物理學中，反映宏觀自然過程的方向性的定律。
①熱力學第二定律的克勞修斯表述：
熱量不能自發從低溫物體傳到高溫物體。
②熱力學第二定律的開爾文表述：
不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。
開爾文
克勞修斯
1.克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體.
對“自發”的理解：不需要第三者介入、也不會對任何第三者產生影響。
高溫
自發
低溫
不能自發
克勞修斯表述指明熱傳導過程是不可逆的
熱力學第二定律
柴油機
汽缸
燃料的化學能
工作物質的內能
機械能
對外做功
燃燒
燃料產生的熱量Q
輸出機械功W
漏氣熱損
散熱熱損
摩擦熱損
W < Q
思考：假設能避免這些損失，熱機燃料產生的熱量 Q = W ？
熱力學第二定律
高溫熱庫
低溫熱庫
Q
W
燃料在燃燒(高溫物體)
冷凝器或大氣(低溫物體)
自發
熱機在工作過程中必然排出部分熱量，熱機用于做功的熱量一定小于它從高溫熱庫吸收的熱量，即
W < Q
熱力學第二定律
①熱機的效率無法達到100%，總會有損耗。
機械能
內能（熱）
全部轉化（自發）
對第三者有影響
②機械能與內能轉化的方向性：
1.人們常用空調調節室內空氣的溫度，下列說法正確的是（　　）
A．空調風速越大，室內空氣的分子動能也越大
B．空調過濾器能夠吸附PM2.5顆粒，此顆粒的運動是分子熱運動
C．空調既能制熱又能制冷，說明熱傳遞不存在方向性
D．空調制熱使得室內溫度上升，則速率小的空氣分子比例減小
經典例題
D
答案：D
解析：A．室內空氣的分子動能只與溫度有關，與空調風速無關，故A錯誤；
B．空調過濾器能夠吸附PM2.5顆粒，PM2.5顆粒是肉眼看不見的固體小顆粒，做的是布朗運動，不是分子熱運動，故B錯誤。
C．空調既能制熱又能制冷，說明在不自發地條件下熱傳遞方向可以逆向，不違背熱力學第二定律，故C錯誤；
D．空調制熱使得室內溫度上升，根據溫度是分子平均動能的標志，所以速率小的空氣分子比例減小，故D正確；
2.有關熱的現象和規律，下列說法正確的是（　　）
A．電冰箱工作時把熱量由溫度較低的箱內傳遞到箱外，違背了熱力學第二定律
B．用打氣筒給自行車打氣，越來越費勁，說明氣體分子間表現為斥力
C．氣體的溫度升高，每個氣體分子運動的速率都增大
D．一定質量的理想氣體，經歷絕熱壓縮過程，氣體分子的平均動能增大
經典例題
D
答案：D
解析：A．電冰箱工作時把熱量由溫度較低的箱內傳遞到箱外消耗了電能，沒有違背熱力學第二定律，故A錯誤；
B．用打氣簡給自行車打氣，越來越費勁是因為自行車輪胎內氣體的壓強在逐漸增大，而不是體分子間的斥力造成的；故B錯誤；
C．氣體的溫度升高，分子的平均動能增大，并不是每個氣體分子運動的速率都增大，故C錯誤；
D．一定質量的理想氣體，經歷絕熱壓縮過程，根據熱力學第一定律可知氣體的內能增加，分子的平均動能增大，故D正確。
正確教育
能量是有限的
自然界的一切變化，人類社會的所有活動，都伴隨著能量的轉移和轉化，能量是一切物質運動的源泉，是一切生命活動的基礎。
柴薪時期
煤炭時期
石油時期
能量耗散
能源的使用過程中雖然能量的總量保持守恒，但能量的品質下降了。雖然能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。
機械能、電能、光能、聲能、化學能、核能、生物能……最終都轉化成內能，流散到周圍環境中，無法重新自動聚集起來加以利用的現象。
是指具有高品質的容易利用的儲能物質。
能源
有可能制成第二類永動機嗎？
地球上海水的總質量達1，4×102kg。如果制造一種機器，把這些海水的溫度降低1℃，放出的熱量就達9×10“kW-h，足夠全世界使用4000年。這個設想不違背能量守恒定律，但是不能實現，所以這類機器叫做第二類永動機。前面學到的，違背能量守恒定律的永動機，叫做第一類永動機。
學過熱力學第二定律之后，你能說出為什么不能制成第二類永動機嗎
熱力學第二定律的另一種表述就是：第二類永動機不可能制成
拓展：第二類永動機
第二類永動機：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變為有用功而不引起其他變化的熱機。
第二類永動機不可能制成：這類熱機雖然不違背能量守恒定律，但因為機械能和內能具有方向性，熱機在工作過程中要排除部分能量，所以第二類永動機不可能制成。
熱力學第二定律的一種特殊表述：第二類永動機不可能制成
根據熱力學第二定律，分散在環境中的內能不管數量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣變的稍暖一點，卻不能自動聚集起來驅動機器，這樣的轉化過程叫做“能量耗散”，雖然能量的總量保持不變，但能源會逐漸減少，因此能源是有限的資源，要節約能源。
學生活動1：閱讀61頁到62頁“能源是有限的”部分
學生活動2：課本62-63頁拓展學習部分內容，回答問題：
（1）什么是“有序狀態”，什么是“無序狀態”
以氣體氣體膨脹為例：相對于膨脹后的狀態，物理學中把氣體膨脹前的狀態叫作有序狀態，而氣體自由膨脹后的狀態變得更混亂與無序，是無序狀態。
（2）什么是“熵”？
在統計物理學中，熱力學熵被解釋為系統微觀運動的無序度(混亂度)。
（3）熵增原理內容？
在自發過程中，系統總是自發地向無序方向發展，即一個孤立系統的熵值總是不減少的，這就是熵增加原理。
從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律：一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發的宏觀過程總是向無序度更大的方向發展。
（4）熵的應用
熵的概念現在已經應用于信息學、天體物理學、生命科學、社會學，行政管理等領域，在不同的學科中也有引申出的更為具體的定義。
拓展：熵增
熵及熵增加原理
1.熵：熵可用來表達一個系統的無序程度，系統從有序向無序的發展過程中熵在增加。
2.熵增加原理：在自發過程中，系統總是自發地向無序方向發展,即一個孤立系統的熵值總是不減少的。
3.下列說法正確的是（　　）
A．人的學習過程隨著知識的逐漸積累，引起認知系統總熵值減小
B．人的學習過程隨著知識的逐漸積累，引起認知系統總熵值增加
C．因為能量守恒，所以無需節約能源
D．熱機中的內能可以全部用來做功
經典例題
A
答案：A
解析：AB．孤立系統的一切自發過程均向著其微觀狀態更無序的方向發展，微觀狀態越混亂，則該系統的嫡值越大，反之越小，人的學習過程隨著知識的逐漸積累，是一個由無序到有序的過程，故總嫡值減小，故A正確，B錯誤；
C．能量守恒，但是有的能源是不可再生的，仍需節約能源，故C錯誤；
D．熱機的效率不可能達到百分之百，所以熱機中的內能不可以全部用來做功，故D錯誤。
熱力學
第二定律
宏觀自然過程的方向性
熱力學第二定律
熱力學第二定律克勞修斯表述
熱力學第二定律開爾文表述
能源是有限的
第二類永動機
熵和熵增加原理
關于熱力學定律，下列說法正確的是（　　）
A．氣體吸收熱量后，內能一定增大
B．熱量可能從低溫物體傳遞到高溫物體
C．空調機既能制熱又能制冷，說明熱傳遞不存在方向性
D．沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機，其效率可能是100%
B
答案：B
解析：根據 氣體吸收熱量后，物體對外做功內能可能不變，A錯誤
B．根據熱力學第二定律，熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，但不能自發的從低溫物體到高溫物體，B正確
C．空調機在制冷時，熱量從低溫物體傳向高溫物體，在電機做功的情況下。所以熱傳遞存在方向性，C錯誤
D．雖然沒有漏氣和摩擦，但是會有熱傳遞，效率不會100%，D錯誤
故選B。
下列說法正確的是（　　）
A．花粉顆粒的布朗運動證明花粉分子在做永不停息的無規則運動
B．氣體很難被壓縮證明氣體分子間存在相互作用的斥力
C．第二類永動機無法實現是因為違反了熱力學第一定律
D．液體由于表面張力呈收縮趨勢是因為表層分子間距大于內部分子間距
D
答案：D
解析：A．花粉顆粒在液體中的布朗運動只能說明液體分子在做無規則運動，不能說明花粉分子在做無規則運動，故A錯誤；
B．氣體很難被壓縮是由于氣體壓強的原因，故B錯誤；
C．第二類永動機雖然不違反能量守恒定律，但它違背了熱力學第二定律，所以是制造不出來的，故C錯誤；
D．由于液體表面層分子間距離大于液體內部分子間的距離，液面分子的引力大于斥力，整體表現為引力，所以液體表面具有收縮的趨勢，故D正確。
以下現象違背熱力學第二定律的有（　　）
A．一杯熱茶在打開蓋后，茶會自動變涼
B．沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機，其效率可能是100％
C．桶中渾濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離
D．在地面上運動的物體逐漸停下來，機械能全部變為內能
B
答案：B
解析：A．熱茶自動變涼是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，故A正確；
B．任何熱機效率都不可能達到100％，故B錯誤；
C．泥、水分離是機械能向內能的轉化，故C正確；
D．物體因摩擦力而停下來，是機械能向內能的轉化，是自發過程，故D正確。
故選B。
（多選）關于能量和能量耗散，下列說法中正確的是（　　）
A．能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中客觀過程的方向性
B．能量耗散表明能源的利用是有條件的，也是有代價的
C．能量守恒，不可消失，所以沒有必要節約能源
D．能量之間可以相互轉化，故能源可以很方便的循環利用
AB
答案：AB
解析：A．能量守恒定律是普遍規律，能量耗散過程中能量也是守恒的，從能量轉化的角度反映出自然界中的客觀過程具有方向性，故A正確；
B．能量的轉化和轉移具有方向性，有些能量耗散到空中無法再次回收和利用，因此能量耗散表明能源的利用是有條件的，也是有代價的，故B正確；
CD．能量的轉化和守恒定律即指能量在轉化和轉移中總量保持不變，但能量在轉化中具有方向性，不能循環利用，所以我們需要節約能源，故CD錯誤；
謝謝觀看

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