2019-2020年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第4講 熱力學(xué)第二定律學(xué)案 新人教版選修3-3.doc
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2019-2020年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第4講 熱力學(xué)第二定律學(xué)案 新人教版選修3-3 [目標(biāo)定位] 1.通過自然界中客觀過程的方向性,了解熱力學(xué)第二定律.2.了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述,以及兩種表述的物理實質(zhì).3.了解什么是第二類永動機,知道為什么它不能制成. 一、熱力學(xué)第二定律 1.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的.如物體間的傳熱、氣體的膨脹、擴散……都有特定的方向性. 2.反映宏觀自然過程方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律. 二、熱力學(xué)第二定律的兩種表述 1.克勞修斯表述:熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體. 2.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(chǎn)生其他影響. 三、熱機 1.熱機的效率η:熱機輸出的機械功與燃料產(chǎn)生的熱量的比值,用公式表示為η=.熱機的效率不可能達到100%. 2.第二類永動機:只有單一熱源,從單一熱源吸收熱量,可以全部用來做功的熱機叫第二類永動機,它不違背能量守恒定律,但違背熱力學(xué)第二定律,所以不能實現(xiàn). 一、宏觀過程的方向性 1.熱傳導(dǎo)具有方向性:兩個溫度不同的物體相互接觸時,熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,結(jié)果使高溫物體的溫度降低,低溫物體的溫度升高. 2.氣體的擴散現(xiàn)象具有方向性:兩種不同的氣體可以自發(fā)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(fā)地分開,成為兩種不同的氣體. 3.機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)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(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后,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(fā)地向真空容器膨脹,但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出,容器變?yōu)檎婵眨? 5.在整個自然界中,無論有生命的還是無生命的,所有的宏觀自發(fā)過程都具有單向性,都有一定的方向性,都是一種不可逆過程. 例1 下列說法正確的是( ) A.熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 B.熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 C.熱傳遞是有方向性的 D.氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的 答案 ACD 解析 如果是自發(fā)地進行,熱量只能從高溫物體傳到低溫物體,但這并不是說熱量不能從低溫物體傳到高溫物體,只是不能自發(fā)地進行,在外界條件的幫助下,熱量也能從低溫物體傳到高溫物體,A、C對,B錯;氣體向真空中膨脹的過程也是不可逆,具有方向性的,D對. 借題發(fā)揮 兩個溫度不同的物體相互接觸時,熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,使高溫物體的溫度降低,低溫物體的溫度升高,這個過程是自發(fā)進行的,不需要任何外界的影響或者幫助,有時我們也能實現(xiàn)熱量從低溫物體傳給高溫物體,如電冰箱,但這不是自發(fā)地進行的,需要消耗電能,其實自然界中所有的熱現(xiàn)象都是具有單向性的. 二、熱力學(xué)第二定律和第二類永動機 1.克勞修斯表述是按熱傳導(dǎo)的方向性表述的.熱量可以由低溫物體傳到高溫物體但不能是自發(fā)的,如:冰箱、空調(diào). 2.開爾文表述是按照機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的.不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功,而是這樣做的結(jié)果,一定伴隨著其他變化或影響. 3.這兩種表述看似毫無聯(lián)系,其實是等價的,可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述. 4.熱力學(xué)第二定律揭示了自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性. 5.第二類永動機不可能制成,它也是熱力學(xué)第二定律的一種表述形式. 雖然第二類永動機不違反能量守恒定律,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源,熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?,就不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)嵩矗? 例2 根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,下列說法中正確的是( ) A.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 B.沒有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功,而不引起其他變化的熱機是可以實現(xiàn)的 C.制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中,而不引起其他變化 D.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化 答案 AD 解析 熱力學(xué)第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程的方向性,機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性,機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機械能必須借助外部的幫助,即會引起其他變化,A選項正確,B選項錯誤;熱傳遞過程也具有方向性,熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體,但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體,必然要引起其他變化(外界對系統(tǒng)做功),故C選項錯誤,D選項正確. 借題發(fā)揮 (1)一切物理過程均遵守能量守恒定律,但遵守能量守恒定律的物理過程不一定均能實現(xiàn). (2)熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵在于“自發(fā)性”和“方向性”. 例3 第二類永動機不可能制成的原因是( ) A.違背了能量守恒定律 B.熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體 C.機械能不能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 D.內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化 答案 D 解析 第二類永動機的設(shè)想并不違背能量守恒定律,但是違背了熱力學(xué)第二定律,所以不可能制成. 宏觀過程的方向性 1.下列哪個過程具有方向性( ) A.熱傳導(dǎo)過程 B.機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程 C.氣體的擴散過程 D.氣體向真空中的膨脹 答案 ABCD 解析 這四個過程都是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程,根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,它們都是不可逆的,具有方向性. 熱力學(xué)第二定律和第二類永動機 2.根據(jù)熱力學(xué)第二定律,下列判斷正確的是( ) A.電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能 B.在火力發(fā)電機中,燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔? C.熱機中,燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C械能 D.在熱傳導(dǎo)中,熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體 答案 BCD 解析 根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性,電流的能可全部變?yōu)閮?nèi)能(由焦耳定律可知),而內(nèi)能不可能全部變成電流的能,而不產(chǎn)生其他影響.機械能可全部變?yōu)閮?nèi)能,而內(nèi)能不可能全部變成機械能.在熱傳導(dǎo)中,熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體,而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體. 3.關(guān)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律,下列論述正確的是( ) A.熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化,而熱力學(xué)第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能,故這兩條定律是相互矛盾的 B.內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能,只是會產(chǎn)生其他影響,故兩條定律并不矛盾 C.兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律,它們不但不矛盾,而且沒有本質(zhì)區(qū)別 D.其實,能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 答案 B 解析 熱力學(xué)第一定律揭示了內(nèi)能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,是能量守恒定律在熱學(xué)中的具體體現(xiàn).熱力學(xué)第二定律則進一步闡明了內(nèi)能與其他形式能量轉(zhuǎn)化時的方向性,二者表述的角度不同,本質(zhì)不同,相互補充,并不矛盾,故選項C、D錯誤,選項B正確;內(nèi)能在一定條件下可以全部轉(zhuǎn)化為機械能,熱量也可以由低溫物體傳遞到高溫物體,但是要引起其他變化,如電冰箱制冷機工作還要消耗電能,故選項A錯誤. 4.關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學(xué)規(guī)律,下列說法中正確的是( ) A.隨著低溫技術(shù)的發(fā)展,我們可以使溫度逐漸降低,并達到絕對零度,最終實現(xiàn)熱機效率100% B.熱量是不可能從低溫物體傳遞給高溫物體的 C.第二類永動機遵從能量守恒定律,故能制成 D.用活塞壓縮汽缸里的空氣,對空氣做功2.0105 J,同時空氣向外界放出熱量1.5105 J,則空氣的內(nèi)能增加了5104 J 答案 D 解析 由熱力學(xué)第二定律知,B、C錯;絕對零度不可能達到,A錯;由熱力學(xué)第一定律知D正確. (時間:60分鐘) 題組一 宏觀過程的方向性 1.關(guān)于熱傳導(dǎo)的方向性,下列說法正確的是( ) A.熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體 B.熱量能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體 C.在一定條件下,熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體 D.熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體 答案 AC 解析 在有外力做功的情況下,熱量可以從低溫物體傳給高溫物體,但熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體. 2.下列說法中正確的是( ) A.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 B.一切不違反能量守恒定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的 C.由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進行 D.一切物理過程都不可能自發(fā)地進行 答案 AC 解析 能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程都是具有方向性的,A對;第二類永動機不違背能量守恒定律,但是不能實現(xiàn),B錯;在熱傳遞的過程中,能量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體,但其逆過程不可能自發(fā)地進行,C對,D錯. 3.以下說法正確的是( ) A.熱量不僅可以從高溫物體傳到低溫物體,也可自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 B.空調(diào)等設(shè)備就是利用了熱傳導(dǎo)的方向性 C.無論采用什么方法,都不可能把熱量從低溫物體傳遞給高溫物體 D.熱量能自發(fā)地傳遞的條件是必須存在溫度差 答案 D 解析 熱傳導(dǎo)具有方向性,熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳到低溫物體,也可以從低溫物體傳到高溫物體,但不能自發(fā)地進行,故A錯;空調(diào)等可以將熱量由低溫物體傳到高溫物體,但消耗了電能,故B、C錯. 題組二 熱力學(xué)第二定律的理解 4.關(guān)于熱力學(xué)定律和分子動理論,下列說法中正確的是( ) A.我們可以利用高科技手段,將流散到周圍環(huán)境中的內(nèi)能重新收集起來加以利用而不引起其他變化 B.利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機,將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能,這在原理上是可行的 C.在分子力作用范圍內(nèi),分子力總是隨分子間距離的增大而減小 D.溫度升高時,物體中每個分子的運動速率都將增大 答案 B 解析 由熱力學(xué)第二定律可知,A錯誤,B正確;由分子間作用力與分子間距的關(guān)系可知,C項錯誤;溫度升高時,物體中分子平均動能增大,但并不是每個分子的動能都增大,即并不是每個分子的運動速率都增大,故D項錯誤. 5.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1所示,電流計指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn),這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象.關(guān)于這一現(xiàn)象的正確說法是( ) 圖1 A.這一實驗不違背熱力學(xué)第二定律 B.在實驗過程中,熱水溫度降低,冷水溫度升高 C.在實驗過程中,熱水的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能,電能則部分轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能 D.在實驗過程中,熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能,電能則全部轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能 答案 AB 解析 自然界中的任何自然現(xiàn)象或過程都不違反熱力學(xué)定律,本實驗現(xiàn)象也不違反熱力學(xué)第二定律,A正確;整個過程中能量守恒且熱傳遞有方向性,B正確;在實驗過程中,熱水中的內(nèi)能除轉(zhuǎn)化為電能外,還升高金屬絲的溫度,內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為電能;電能除轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能外,還升高金屬絲的溫度,電能不能全部轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能,C、D錯誤. 6.圖2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(nèi)、外的管道中不斷循環(huán).在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量,經(jīng)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2 A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外 B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)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反熱力學(xué)第二定律 D.電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第二定律 答案 BC 解析 根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱量不能自發(fā)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(tǒng)做功,A錯誤,B正確.電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第二定律,C正確,D錯誤.故選B、C. 7.關(guān)于空調(diào)機,下列說法正確的是( ) A.制冷空調(diào)機工作時,熱量從低溫物體傳到高溫物體 B.制暖空調(diào)機工作時,熱量從高溫物體傳到低溫物體 C.冷暖空調(diào)機工作時,熱量既可以從低溫物體傳到高溫物體,也可以從高溫物體傳到低溫物體 D.冷暖空調(diào)機工作時,熱量只能從低溫物體傳到高溫物體 答案 AD 解析 空調(diào)機工作時,熱量可以從低溫物體傳到高溫物體,因為這里有外界做功. 題組三 綜合應(yīng)用 8.下列說法中正確的是( ) A.功可以完全轉(zhuǎn)化為熱量,而熱量不可以完全轉(zhuǎn)化為功 B.熱機必須是具有兩個熱庫,才能實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化 C.熱機的效率不可能大于1,但可能等于1 D.熱機的效率必定小于1 答案 D 解析 開爾文表述沒有排除熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功,但必然要產(chǎn)生其他變化,比如氣體等溫膨脹,氣體內(nèi)能完全轉(zhuǎn)化為功,但氣體體積增大了,A錯誤;開爾文表述指出,熱機不可能只有單一熱庫,但未必就是兩個熱庫,可以具有兩個以上熱庫,B錯誤;由η=可知,只要Q2≠0,η≠1,如果Q2=0,則低溫?zé)釒觳淮嬖冢`背了開爾文表述,故C錯誤,D正確. 9.如圖3所示,一演示用的“永動機”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成,輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片.輕推轉(zhuǎn)輪后,進入熱水的葉片因伸展而“劃水”,推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動.離開熱水后,葉片形狀迅速恢復(fù),轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動.下列說法正確的是( ) 圖3 A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動,不需要消耗外界能量 B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身 C.轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水,水溫升高 D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量 答案 D 解析 輕推轉(zhuǎn)輪后,葉片開始轉(zhuǎn)動,由能量守恒定律可知,葉片在熱水中吸收的熱量一部分釋放到空氣中,另一部分使葉片在熱水中膨脹做功,所以葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量,D正確. 10.關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說法正確的是( ) A.為了增加物體的內(nèi)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(nèi)能增加 C.可以從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)楣? D.不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體 E.功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程 答案 ACE 解析 由ΔU=W+Q可知做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種途徑.它們具有等效性,故A正確,B錯誤;由熱力學(xué)第二定律可知,可以從單一熱源吸收熱量,使之全部變?yōu)楣?,但會產(chǎn)生其他影響,故C正確;熱量只是不能自發(fā)的從低溫物體傳向高溫物體,則D錯誤;一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆的,則E正確. 11.熱力學(xué)第二定律常見的表述有兩種: 第一種表述:不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化; 第二種表述:不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功,而不引起其他變化. 圖4甲是根據(jù)熱力學(xué)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(jù)第二種表述完成示意圖乙.根據(jù)你的理解,熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)是_____________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 圖4 答案 見解析 解析 示意圖如圖所示. 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性.- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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