新教材2023_2024学年高中物理第3章热力学定律4.热力学第二定律课件新人教版选择性必修第三册.pptx

学习目标1.了解传热、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性知道具有方向性的过程是不可逆的物理观念)2.了解热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因物理观念)3.能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,并能解决一些实际问题科学思维)4.了解能量耗散、能源和环境科学态度与责任)基础落实必备知识全过关重难探究能力素养全提升目录索引学以致用随堂检测全达标基础落实必备知识全过关一、热力学第二定律1.热力学第二定律的克劳修斯表述(1)内容:热量不能自发地从物体传到物体即传热的过程具有2)传热的方向性热量可以自发地由物体传给物体热量不能自发地由物体传给物体一切与热现象有关的宏观自然过程都是 不需要任何第三者介入就能发生 低温高温方向性高温低温低温高温不可逆的2.热力学第二定律的另一种表述(1)热机工作的两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的变成工作物质的第二个阶段是工作物质对外,把自己的内能变成2)开尔文表达不可能从单一热库吸收热量,使之,而不产生其他影响克劳修斯表述和开尔文表述是等价的 阐述了机械能与内能转化的方向性 化学能内能做功机械能完全变成功二、能源是有限的1.能量耗散:人类使用的能源最后都转化成分散在环境中不能聚集起来驱动机器做功,这样的转化过程叫作“能量耗散”。

2.能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量的降低,它实际上是将能量从高度有用的 形式降级为可用性差的形式3.能源:是指具有高品质的容易利用的,例如石油、天然气、煤等反映出自然界中的自发变化过程具有方向性内能自动品质高品质低品质储能物质情境链接覆水难收;破镜难圆;水从高山流到河谷,不可能自己再返回高山;一滴墨水滴入一杯清水,会均匀地扩散开来,不可能再自动地凝成一滴墨水这些现象说明了什么道理?提示自然界的宏观过程不可能自发地逆向进行教材拓展阅读教材P60思考与讨论,想一下电冰箱是怎么工作的?提示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,通过压缩机的工作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易错辨析(1)机械能可以完全转化为内能)(2)能够制成的热机既不违背能量守恒定律,也不违背热力学第二定律)(3)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体)(4)根据能量守恒定律可知,节约能源是没有必要的)(5)能量耗散会导致总能量减少,也会导致能量品质降低)提示人类使用能源的过程,尽管能量的数值不变,但最终会变为可用性差的内能,可以利用的能源会减少,因此,有必要节约能源。

提示能量耗散不会导致总能量减少,但会导致能量品质降低重难探究能力素养全提升探究点一热力学第二定律探究点一热力学第二定律导学探究1.如图所示,在甲图的活塞上轻轻放上一块小物体,重力做功将重力势能转化为气体内能,气体温度升高与外界进行热交换,直到乙图所示的状态,活塞还能自发地返回到原位置吗?要点提示活塞不能自发地返回到原位置,气体不会自发地将内能转化成机械能,因为这违背了热力学第二定律2.随着科技的不断发展,是不是能够使热机效率达到100%?要点提示不能,因为热机的工作物质吸收的热量不能完全用来做功,这违背了热力学第二定律知识归纳1.宏观自然过程的方向性(1)传热具有方向性两个温度不同的物体相互接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体,要实现低温物体向高温物体传递热量,必须借助外界的帮助,因而产生其他影响2)气体的扩散现象具有方向性两种不同的气体可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合气体,但这种均匀的混合气体,决不会自发地分开,成为两种不同的气体3)机械能和内能的转化过程具有方向性物体在地面上运动,因摩擦而逐渐停止下来,但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后,在地面上重新运动起来。

4)气体向真空膨胀具有方向性气体可自发地向真空容器内膨胀,但绝不可能出现气体自发地从容器中流出,使容器内变为真空2.对热力学第二定律的理解(1)克劳修斯表述中“自发”的含义:当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入,不会对任何第三者产生任何影响,热量就能从高温物体传到低温物体自发”的方向是从高温物体指向低温物体2)开尔文表述中“不可能从单一热库吸收热量”的含义:不仅要从一个热库吸热,而且一定会向另一个热库放热即热机工作时须有高温热库和低温热库3)开尔文表述中“不产生其他影响”的含义:是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响,如吸热、放热、做功等特别提示特别提示(1)热力学第二定律的两种表述是等价的2)热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性3.热力学第二定律与热力学第一定律的比较 项目热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时,机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能热量的传递热量可以从高温物体自发地传到低温物体热量不能自发地从低温物体传到高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式项目热力学第一定律热力学第二定律联系两定律都是热力学基本定律,分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律,二者相互独立,又相互补充,都是热力学的理论基础应用体验【例1】如图所示的汽缸内盛有一定量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气。

现将活塞杆与外界连接,在外界的帮助下使其缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是()A.气体从单一热库吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律B.气体从单一热库吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律C.气体从单一热库吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律D.A、B、C三种说法都不对C解析热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功,而不产生其他影响本题中如果没有外界的帮助,是不可能做等温膨胀的,即这一过程虽然是气体从单一热库吸热,全用来对外做功,但产生了其他影响,所以此过程不违反热力学第二定律对点演练1.(2023湖北武汉高二期末)下列关于热力学第二定律的说法正确的是()A.随着科技的进步,所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的C.机械能可以全部转化为内能,但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响D.气体向真空的自由膨胀是可逆的C解析即使科技越来越进步,所有符合能量守恒定律但不符合热力学第二定律的宏观过程也无法发生,故A错误;一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,故B错误;机械能可以全部转化为内能,但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响,故C正确;气体向真空的自由膨胀是不可逆的,故D错误。

探究点二热机的工作原理与效率探究点二热机的工作原理与效率导学探究1.国内某柴油机厂所产的单缸柴油机如图所示,图中上方部分为水箱,热机工作时,内能可以全部转化为机械能吗?为什么?水箱所起的作用是什么?要点提示 柴油机工作时水箱所起的作用是作为低温热库给热机快速降温,在内能向机械能转化的过程中,内能有一部分转移到低温热库,不可能全部转化为机械能2.我们把“从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响的热机称为第二类永动机”,如果随着科技的不断发展,能够使热机没有漏气、没有摩擦,是不是就能制成第二类永动机?要点提示不能即使没有摩擦、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,例如汽车排出气体的温度一定会比空气的温度高,它会向周围散热所以说第二类永动机是不可能制成的知识归纳1.热机(1)热机的工作原理工作物质从热库吸收热量Q1,推动活塞做功W,然后排出废气,同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中根据能量守恒定律有Q1=W+Q22)热机的效率把热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率,用因为Q1=W+Q2,所以Q1W,1特别提示特别提示(1)热机必须有热源和冷凝器。

2)热机不能把它得到的内能全部转化为机械能3)热机的效率不可能达到100%2.第二类永动机(1)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2)第二类永动机不可能制成这类机器虽然不违背能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的,热机在工作过程中必然排出部分热量,即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失,热机排出气体的温度总比周围空气的温度高,它会向空气散热,也总有WQ,所以热机的效率总达不到100%,汽车发动机的效率一般在20%30%,燃气轮机的效率较高,可达60%左右3)热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成3.两类永动机的比较 分类第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量,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)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)不可能的原因违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律应用体验【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,同时不引起其他变化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,但是违反热力学第二定律,所以选项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C错误,D正确对点演练2.(2023河北承德高二期末)关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是()A.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机B.第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律C.做功不一定改变物体的内能,热传递也不一定改变物体的内能,但同时做功和热传递一定会改变物体的内能D.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能是可能的D解析根据热力学第二定律,从单一热源吸收热量,全部用来对外做功而不引起其他变化是不可能的,故A错误;第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了热力学第二定律,故B错误;做功不一定改变物体的内能,热传递不一定改变物体的内能,同时做功和热传递也不一定会改变物体的内能,比如物体吸收热量的同时对外做功,内能不一定改变,故C错误;根据热力学第二定律可知,利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,在原理上是可行的,故D正确探究点三能源和能量耗散探究点三能源和能量耗散导学探究水磨用石头制成,分为上下两片,呈圆形。

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化为磨盘和粮食的内能1)通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了?(2)这些内能最终会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并加以利用,可见,内能与机械能相比,哪种能量的品质低?要点提示(1)做功2)内能品质低知识归纳1.如何正确理解能量耗散和品质降低(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,它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点,却再也不能驱动机器做功了2)从可被利用的价值来看,内能较之。