【物理】2019届二轮复习热力学第二定律学案（全国通用）

【物理】2019届二轮复习热力学第二定律学案（全国通用）

‎ 5.3　热力学第二定律 ‎ ‎1.了解什么是可逆过程和不可逆过程.‎ ‎2.知道热现象都具有不可逆性,能判断涉及热现象的宏观过程是具有方向性的.‎ ‎3.知道热力学第二定律的两种表述.‎ ‎4.知道什么是第二类永动机,知道第二类永动机不可能制成.‎ ‎1.自然过程的方向性 ‎(1)可逆过程与不可逆过程 一个系统由某一状态经过某一过程达到另一状态,如果存在另一过程,它能够使系统和外界完全　　　　,即系统回到原来状态,同时消除原来过程对外界的一切　　　　　,则原来的过程称为可逆过程;如果用任何方法都不能使系统和外界完全　　　　　,则原来的过程称为不可逆过程. ‎ ‎(2)热现象的方向性 ‎①热传递是　　　　　过程,具有　　　　　性. ‎ ‎②功变为热是　　　　　过程,具有　　　　　性. ‎ ‎③热变为功是　　　　　过程,具有　　　　　性. ‎ ‎④一切与热现象有关的宏观自然过程都是　　　　　过程,都具有　　　　　性. ‎ ‎2.热力学第二定律的两种表述 ‎(1)克劳修斯表述 不可能使热量从　　　　　物体传向　　　　　物体而不引起其他变化. ‎ ‎(2)开尔文表述 不可能从　　　　　吸取热量,使之完全变为　　　　,而不引起其他变化. ‎ ‎(3)两种表述的关系 等价关系:热力学第二定律的这两种表述是完全　　　　的,如果违背其中一种表述,也必然违背另一种表述. ‎ ‎3.第二类永动机 ‎(1)定义:只从　　　　　　吸收热量,并使之完全转化为有用功.而不产生其他　　　　　的热机. ‎ ‎(2)第二类永动机不可能制成:虽然第二类永动机不违反　　　　　　　　定律,但在任何情况下,热机都不可能只有一个热源,热机要不断地把吸取的热量变为有用的功,就不可避免地将一部分热量传给低温热源. ‎ ‎(3)两类永动机的比较 第一类永动机和第二类永动机都不能制成,但其原因不同:第一类永动机违背了　　　　　　定律,第二类永动机违背　　　　　　　　定律. ‎ 主题1:热现象过程的方向性 情景:随着人类工业社会的快速发展,能源危机日益临近.为解决能源危机,有人作了这样一个设想:地球上有大量的海水,水的比热容较大,如降低海水的温度将释放出大量的热量可供生产、生活使用.‎ 问题:(1)海水总质量约为1.4×1018 t,如果这些海水的温度降低0.1 ℃,‎ 将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为c=4.2×103 J/(kg·℃).已知大亚湾核电站装机容量为百万千瓦,这些海水释放的热量相当于多少个大亚湾核电站年发电量?‎ ‎(2)请结合教材第87页内容,分析可不可以将海水放出的热量全部用来做功而不引起其他变化.‎ 学 ]‎ 主题2:热传递过程的方向性——克劳修斯表述 问题:阅读教材第87页“热力学第二定律的克劳修斯的表述”,思考并分析下列问题.‎ ‎(1)要发生热传导必须具备什么条件?自发的热传导过程有什么特征?‎ ‎(2)热量能否从低温物体传导到高温物体?‎ ‎(3)完成下面自发热传递和电冰箱制冷流程图.‎ ‎ ]‎ 主题3:功热转化过程分析──开尔文表述 问题:阅读教材第87 88页“热力学第二定律的开尔文表述”.据对教材内容的理解,思考并分析下列问题.‎ ‎(1)简述汽油机的工作流程,并分析其能量转化的情况.‎ ‎(2)热力学第二定律存在克劳修斯表述和开尔文表述,这两种表述的不同点和共同点是什么?‎ ‎(3)试结合已学知识和生活经验说说还有什么不可逆过程.‎ 一、热力学第二定律的理解 例1　根据热力学第二定律,下列说法中正确的有(　　)‎ A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体 B.热量能够从高温物体传到低温物体,也可能从低温物体传到高温物体 C.机械能可以全部转化为内能,但热量不可能全部转化为机械能 D.机械能可以全部转化为内能,热量也可能全部转化为机械能 变式训练1　电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气,这说明了(　　)‎ A.热量能自发地从低温物体传给高温物体 B.在一定条件下,热量可以从低温物体传给高温物体 C.热量的传导过程具有方向性 D.热量的传导过程不具有方向性 二、应用热力学第二定律分析问题 例2　用两种不同的金属丝组成一个回路,接触点1插在热水中,接触点2插在冷水中,如图所示,电流表指针会发生偏转,这就是温差发电现象.关于这一现象,下列说法正确的是(　　)‎ A.这一实验过程不违反热力学第二定律 B.在实验过程中,热水一定降温、冷水一定升温 C.在实验过程中,热水内能全部转化成电能,电能则部分转化成冷水的内能 D.在实验过程中,热水的内能只有部分转化成电能,电能则全部转化成冷水的内能 变式训练2　根据热力学定律,下列判断正确的是(　　)‎ A.我们可以把火炉散失到周围环境中的能量全部收集到火炉中再次用来取暖 B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的 C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化 . ]‎ D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行 三、第二类永动机 例3　下列说法中正确的有(　　)‎ A.第一类永动机违背了能量守恒定律因而是不可能制成的 B.第二类永动机违背了能量守恒定律因而是不可能制成的 C.热机的效率从原理上讲可达100 ,但由于摩擦等因素的存在,实际的热机效率不可能达到100 ‎ D.热机的效率从原理上讲不可达100 ‎ 变式训练3　下列说法正确的是(　　)‎ A.第二类永动机和第一类永动机一样都违背了能量守恒定律 B.第二类永动机违背了能量转化的方向性 C.自然界中能量是守恒的,不需要节约能源 D.热机效率总是小于100 的 ‎1.关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确的是(　　) ]‎ A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定律是相互矛盾的 B.内能可以全部转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故两条定律并不矛盾 C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别 D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律 ‎2.下列哪些物理过程具有方向性(　　)‎ A.热传导过程 B.机械能和内能的转化过程 C.气体的扩散过程 D.气体向真空中膨胀的过程 ‎3.关于热传导的方向性,下列说法正确的是(　　)‎ A.热量只能由高温物体传给低温物体 B.热量能自发地由低温物体传给高温物体 C.在一定条件下,热量也可以从低温物体传给高温物体 D.热量一定不能从低温物体传给高温物体 ‎4.“水往低处流”是一自发过程,在无外界影响时,它的逆过程可否实现?你由这一自然现象受到什么启示?‎ ‎ 5.3　热力学第二定律 ‎ ‎1.重点难点 教学重点:热力学第二定律内容的理解.‎ 教学难点:热力学第二定律的两种表述的理解,用热传导过程的方向性解释第二类永动机的不可能实现.‎ ‎2.高考前瞻 热力学第二定律有多种表述,中学只介绍其中两种.新课标对热力学第二定律考查频率较低,且往往与热力学第一定律等知识点综合考查,题型多为选择题.‎ ‎3.教学建议 热力学第二定律的两种表述实质上是通过大量实例归纳出来的,因此教学过程中利用好学生熟悉的热学现象和曾经接触过的物理模型就非常重要.而教学中应引导学生积极主动地发表个人的看法,对本课达成教学目标起到推进作用.教学中利用流程图形象地将能量转化与守恒的特征与转化的方向性特征并重地表示出来,归纳出其中共同的特征:过程的不可逆性.然后就其中的热传导与功热转化两个过程具体分析,归纳出热力学第二定律的两种经典表述:克劳修斯表述和开尔文表述.由于任何一类宏观自发的热学过程都可以作为热力学第二定律的表述,让学生尝试从多角度描述热力学第二定律,有效地帮助学生建构了比较完整的宏观热学规律体系.‎ 参考答案:‎ ‎1.(1)复原　影响　复原　(2)①不可逆　方向　②不可逆　方向　③不可逆　方向　④不可逆　方向 ‎2.(1)低温　高温　(2)单一热源　有用功　(3)等效 ‎3.(1)单一热源　影响　(2)热力学第一　(3)能量守恒　热力学第二 ‎1.解答:(1)海水释放的热量为:‎ Q=cmΔt=4.2×103×1.4×1021×0.1 J≈5.9×1023 J 大亚湾核电站年发电量为:‎ E=Pt=109×365×24×3600 J=3.15×1016 J 相当于电站个数为==1.9×107.‎ ‎(2)该方案不可行.‎ 无数事实告诉我们,凡是实际的过程,只要涉及热现象,都有特定的方向性,我们不可能从海水这样一个单一热源吸收热量,使之完全变为有用功而不引起其他变化.‎ ‎2.解答:(1)要有温度差才能发生热传递.热量总是自发地从高温物体向低温物体传导.‎ ‎(2)热量从低温物体传导到高温物体是可能的,电冰箱工作时就是通过电机的工作将热量从低温环境传导到高温环境.‎ ‎(3)如图所示.‎ ‎3.解答:(1)汽油机工作过程中,先吸入空气与汽油的混合气体,接着活塞运动压缩混合气体,点火后混合气体爆炸,推动活塞对外做功,最后将汽缸中的尾气排出.该过程中高温混合气体的内能一部分转化为机械能,还有一部分向低温的外界环境中散发.‎ ‎(2)克劳修斯表述阐述了热传递过程的方向性,开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性.‎ 两种表述是等价的,可以从其中一种表述推导出另一种表述,两种表述都说明自发的宏观热现象具有方向性.‎ ‎(3)扩散过程是不可逆的.‎ 气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的.‎ 一、热力学第二定律的理解 例1　BD ‎【解析】根据热传递规律可知热量不可能自发地从低温物体传到高温物体;但在一定条件下,热量也可以从低温物体传到高温物体,如电冰箱就是这样的装置,因此选项B正确、A错误.机械能可以全部转化为内能,在一定条件下,热量也可以全部转化为机械能,如气体的等温膨胀,就是将吸收来的热量全部用来对外做功,但是它引起了一定的变化,那就是气体膨胀了,要使气体回到原来状态,就必须对气体做功,因此选项D正确、C错误.‎ ‎【点拨】本题若不认真推敲,就会错选A、C两个选项,原因是它们与热力学第二定律的意义很相近.但是它们都少了一句“而不引起其他变化”,也就是说若引起其他变化或者说在一定条件下,热量也可以从低温物体传到高温物体,热量也可以全都转化为机械能.‎ 变式训练1　BC ‎【解析】电冰箱把热量从低温物体传到高温物体是需要一定的条件,即压缩机消耗一定的电能的条件下才能发生的,所以热量的传导过程是有方向性的.‎ 二、应用热力学第二定律分析问题 例2　AB ‎【解析】在实验过程中,热水内能的一部分转化成电能,电能则部分转化成冷水的内能,因为在转化过程中电路要发热,此实验遵守热力学第二定律,因此A、B正确,C、D错误.‎ ‎【点拨】各种形式的能量之间可以相互转化,如机械能可以自发地转化为内能,在一定的条件下内能也可转化为机械能,能量的转化都是通过做功来实现的.在分析有关能量的转化问题时,不能仅看是否符合能量守恒定律,还要看是否符合热力学第二定律.‎ 变式训练2　B ‎【解析】热量不能自发地从低温物体传到高温物体,所以不能说把散失的能量全部收集起来.A错误;根据热力学第二定律知B正确;热量从低温物体传给高温物体时要发生其他变化,故C错误;只满足能量守恒定律但不满足热力学第二定律的过程也不可以发生的, D错误.‎ 三、第二类永动机 例3　AD ‎【解析】第二类永动机是指从单一热源吸热,全部用来对外做功而不引起其他变化的机器,它并不违背能量守恒定律,却违背了热力学第二定律;第一类永动机是不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器,它违背能量守恒定律,不可能实现,所以选项A正确、B错误.从热力学第二定律的表述可知,任何热机的效率都达不到100 ,故C选项错误、D选项正确.‎ ‎【点拨】从热传导具有方向性、机械能和内能之间的转化具有方向性的角度,正确理解热力学第二定律.‎ 变式训练3　BD ‎【解析】第一类永动机违背了能量守恒定律,第二类永动机违背了能量转化的方向性,故A错误、B正确;自然界中能量是守恒的,但是能量转化具有方向性,有些能量很难被再利用,所以需要节约能源,故C错误;由于内能不能够全部变为有用功而不引起其他的变化,因此热机效率总是小于100 的,故D正确.‎ ‎　　一、自然过程的方向性 ‎1.可逆过程与不可逆过程 一个系统由某一状态经过某一过程达到另一状态,如果存在另一过程,它能够使系统和外界完全复原,即系统回到原来状态,同时消除原来过程对外界的一切影响,则原来的过程称为可逆过程;如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原,则原来的过程称为不可逆过程.‎ ‎2.热现象的方向性 ‎①热传递是不可逆过程,具有方向性.‎ ‎②功变为热是不可逆过程,具有方向性.‎ ‎③热变为功是不可逆过程,具有方向性.‎ 归纳:一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆过程,都具有方向性.‎ 二、热力学第二定律 ‎1.克劳修斯表述 不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化.‎ ‎2.开尔文表述 不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功,而不引起其他变化.‎ ‎3.热力学第二定律的实质 ‎①热力学第二定律的每一种表述,都揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.‎ ‎②热力学第二定律不同表述说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的,即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性.‎ 三、热力学第二定律与热力学第一定律的关系 ‎1.关于摩擦生热 热力学第一定律中,滑动摩擦力做功可以全部转化为热量,热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全转变为功.‎ ‎2.关于热量的传递 热力学第一定律说明,热量可以从高温物体自动传向低温物体,而热力学第二定律却说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体.‎ ‎3.关于能量 热力学第一定律说明在任何过程中能量必然守恒,热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现,能量转化有方向性.‎ ‎4.两定律的关系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式,说明功及热量与内能改变的定量关系;而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向,指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆,除非靠外界影响.所以二者相互独立,又相互补充.‎ 三、第一类永动机与第二类永动机比较 分类 第一类永动机 第二类永动机 设计 不消耗任何能量,‎ 将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化(或只有一个热源,实现内能与机械能的转化)‎ 要求 可以不断做功(或只给予很小的能量启动后,可以永远运动下去) ‎ 不可能 的原因 违背了能的转化与守恒定律 违背了热力学第二定律 ‎1.B　【解析】热力学第一定律而热力学与热力学第二定律分别从内能可以与其他形式的能相互转化和能量转化的方向性两个角度指出内能与其他能相互转化过程中遵循的规律,这两条定律是并不矛盾,A、C错误,B项正确.能量守恒定律已经包含了热力学第一定律,但并未指出能量转化的方向性,所以D错误.‎ ‎2.ABCD ‎3.C　【解析】热量不能自发地由低温物体传给高温物体,但在外界作用下可以由低温物体传给高温物体,如空调、冰箱制冷,所以C正确.‎ ‎4.见解析 ‎【解析】在无外界影响时,水不会自发地向高处流.这说明自然界中存在的这一宏观过程具有方向性.‎