第3章 4.热力学第二定律—-2024新教材人教版（）高中物理选择性必修第三册讲义[002].docVIP

专注：心无旁骛，万事可破

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专注：心无旁骛，万事可破

4.热力学第二定律

学习目标：1．[物理观念]知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的内容，能解释相关现象。2.[科学思维]理解热力学第二定律的两种表述，学会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，提高分析推理能力。3.[科学探究]通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。4.[科学态度与责任]学会科学家探索问题的方法，实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。

阅读本节教材，回答第59页“问题”并梳理必要的知识点。

教材P59“问题”提示：扩散具有方向性，颜料不能自发地重新聚集在一起，其余部分不能变成清水。

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：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有方向性。

(2)传热的方向性

①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。

②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。

③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

说明：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入，就能发生。

2．热力学第二定律的另一种表述

(1)热机

①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。

②热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示：η＝eq\f(W,Q)。

(2)开尔文表达

不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)

注意：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。

二、能源是有限的

1．能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。

2．各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。

3．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。

4．能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。

说明：虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)传热的过程是具有方向性的。 (√)

(2)科技发达后，热机的效率可以达到100%。 (×)

(3)机械能可以全部转化为内能，而内能不能自发地全部转化为机械能。 (√)

(4)根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的。 (×)

2．(多选)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是()

A．不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不引起其他变化

B．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可以实现的

C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化

D．在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能

AD[热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，故A正确；机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须有外界的帮助，故B错误；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故C错误；火力发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能向机械能转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不会全部变为电能，故D正确。]

3．(多选)热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是()

A．能量耗散说明能量不守恒

B．能量耗散不符合热力学第二定律

C．能量耗散过程中能量仍守恒

D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性

CD[能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰符合热力学第二定律，故C、D正确。]

热力学第二定律

“火中取栗”是大家非常熟悉的成语，如图所示，这其中包含什么物理知识呢？

提示：当手伸到火中拿栗子时会被灼伤，即热量从火传到了手上，从而使手的温度升高，这是由热现象的方向性决定的，绝对不会出现手伸到火中后，热量从手上传到火中，而使手的温度降低，而火的温度更高的情况。

1．对热力学第二定律的理解

在热力学第二定律的表述中，正确地理解“自发