高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册热力学第二定律导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册热力学第二定律导学案，共12页。学案主要包含了自然过程的方向性，热力学第二定律的两种表述，热力学第二定律的微观解释，能源和可持续发展等内容，欢迎下载使用。
1．热传导具有方向性：热量会自发地从高温物体传给低温物体；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。
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，决不会自发地分开而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：物体在水平面上运动，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膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，容器变为真空。
5．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
6．热力学第二定律：反映宏观自然过程的方向性的定律。
考点二、热力学第二定律的两种表述
1．克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
（“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性。在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。）
2．开尔文表述：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。(即机械能与内能转化具有方向性)
（“不产生其他影响”的涵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。）
3．热力学第二定律的实质：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。
(1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
(2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
(3)第二类永动机是不可能制成的。
4．第二类永动机
(1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化的热机。
(2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，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库。
【例题】1．(多选)热力学第二定律指出( )
A．气体的扩散过程具有方向性 B．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性
C．热机效率η≤1 D．大量分子参与的宏观过程具有方向性
解析：选AD 由热力学第二定律知，气体的扩散现象具有方向性，并不是一切形式的能量间的相互转化都具有方向性，如动能和势能的相互转化，故A正确，B错误；热机效率只能小于1，不可能等于1，故C错误；一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，故D正确。
2．(多选)下列说法中正确的是( )
A．第一类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律
B．第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律
C．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的
D．热力学第二定律的两种表述是等价的
解析：选ACD 第一类永动机是想“创生”能量，违反了能量守恒定律，第二类永动机是想使热机效率η＝1，违反了热力学第二定律(没有违反能量守恒定律)，A正确，B错误；热力学第一定律是能量守恒定律在内能与其他形式能转换时的具体表达，热力学第二定律指出了自然界中与热现象有关的宏观过程都具有方向性。它们分别从不同侧面揭示了热现象的本质，是相互独立的，热力学第二定律的两种表述是等价的，C、D正确。
【变式训练】1．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量
B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加
C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功
D．不可能使热量从低温物体传向高温物体
E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
解析：选ACE 改变内能的方法有做功和热传递两种，所以为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，A项正确；对物体做功的同时物体向外界放热，则物体的内能可能不变或减小，B项错误；根据热力学第二定律可知，在对外界有影响的前提下，可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，C项正确；在有外界做功的条件下，可以使热量从低温物体传递到高温物体，D项错误；根据热力学第二定律可知，E项正确。
2．关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是( )
A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
解析：选D 第一类永动机违反热力学第一定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但不引起其他变化是不可能的，D对。
3．(多选)根据热力学第二定律，可知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热能，但热能不可能全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能
解析：选BD 由热力学第二定律克劳修斯表述知，热量可以自发地从高温物体传给低温物体，当外界对系统做功时，也可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体，冰箱就是这样的装置，故A错误，B正确。机械能可以全部转化为内能，如在水平地面上运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终静止，这个过程中机械能全部转化为内能，当外界条件发生变化时，内能也可以全部转化为机械能，如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功，故C错误，D正确。
考点三、热力学第二定律的微观解释
1．有序、无序：一个系统的个体按确定的某种规则，有顺序地排列即有序；个体分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即无序。
2．宏观态、微观态：系统的宏观状态即宏观态，系统内个体的不同分布状态即微观态。
3．热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
4．熵及熵增加原理
(1)熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样。系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大。
(2)熵增加原理：在任何自然过程（宏观事件）中，一个孤立系统的总熵不会减小。
【例题】1．(多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是( )
A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程
C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程
D．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析：选CD 因为大量分子做无规则热运动，因此系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是无序的运动；热运动的结果只能使分子热运动更加无序；热传递的自然过程是自发进行的；由热力学第二定律的微观意义知，一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。故C、D正确，A、B错误。
【变式训练】1．(多选)下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( )
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C．有的自然过程沿分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小
解析：选AD 从热力学第二定律的微观本质看，一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行，我们知道热力学第二定律是一个统计规律，故A对，B、C错。任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是朝着熵增加的方向进行，故D对。
2．下列说法中正确的是( )
A．无摩擦、无漏气等能量损失，就能使热机效率达到100%
B．热量不能从低温物体传到高温物体
C．一切物理过程都具有方向性
D．由热力学定律可推断出某个物理过程是否能自发进行
解析：选D 对任何热机在工作时都不可避免地要向冷凝器的周围环境散发热量，总有能量的损失，因此其效率无法达到100%；热量能从低温物体传到高温物体，但必须有外界的帮助；一切涉及热现象的物量过程都具有方向性；在热力学定律的基础上可以导出其他过程的方向性，如气体的扩散、气体向真空的膨胀等。
考点四、能源和可持续发展
1．能量耗散和品质降低
(1)能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，成为更加分散因而也是无序度更大的能量，分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转化方向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，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。
2．能源的分类
【例题】1．(多选)下列关于能源的说法中正确的是( )
A．能源是取之不尽，用之不竭的
B．能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等
C．大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源
D．核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大
解析：选BC 尽管能量守恒，但耗散的能量无法重新收集起来并加以利用，所以能源是有限的，特别是常规能源，故A错误，B正确。常规能源的利用比核能的利用对环境影响大，故C正确，D错误。
【变式训练】1．关于能源的开发和利用，下列观点错误的是( )
A．无节制地利用能源，是一种不好的短期行为
B．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的
C．能源的开发和利用，必须同时加强对环境的保护
D．不断开发新能源，是缓解能源危机的主要途径
解析：选B 能源是有限的，必须合理利用能源，A正确；尽管能量守恒，但使用过程中会有能量耗散及品质降低，B错误；能源利用推动人类进步的同时会破坏人类生存的环境，必须加强保护，C正确；开发新能源、清洁能源可以缓解常规能源的不足，D正确。
2．(多选)下列对能量耗散的理解正确的有( )
A．能量耗散说明能量在不断减少
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失
D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
解析：选BD 在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散。能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确。
课堂练习
1．热力学定律表明自然界中进行的热现象的宏观过程( )
A．有的只遵守热力学第一定律
B．有的只遵守热力学第二定律
C．有的既不遵守热力学第一定律，也不遵守热力学第二定律
D．所有的都遵守热力学第一、第二定律
解析：选D 热力学第一、第二定律是热力学的基本定律，对所有涉及热现象的宏观过程都成立。故选项D正确，A、B、C错误。
2．(多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的有( )
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电流的能不可能全部变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
解析：选ACD 凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”，故A正确。由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的能可以全部转化为内能，故B错误。火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确。热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主要思想，故D正确。
3．下列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是( )
A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开
B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开
C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%
解析：选A 热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，A不属于热现象；由热力学第二定律可以解释B、C、D选项。
4．我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来，其原因是( )
A．违反了能量守恒定律
B．在任何条件下内能不可能转化成机械能，只有机械能才能转化成内能
C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的
D．以上说法均不正确
解析：选C 机械能和内能的相互转化，必须通过做功来实现，故C对。
5．下列关于热现象的描述正确的一项是( )
A．根据热力学定律，热机的效率可以达到100%
B．做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的
C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同
D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规律的
解析：选C 根据热力学第二定律可知，热机不可能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，因此，热机的效率不可能达到100 %，选项A错误；做功是通过能量转化改变系统的内能，热传递是通过能量的转移改变系统的内能，选项B错误；温度是表示热运动的物理量，热传递过程中达到热平衡时，温度相同，选项C正确；单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动表现出统计规律，选项D错误。
6. (多选)如图所示，为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是( )
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C．电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律
答案：BC
7．(多选)关于有序和无序宏观态和微观态，下列说法正确的是( )
A．有序和无序是绝对的
B．一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”
C．一个“宏观态”只能对应着唯一的“微观态”
D．无序意味着各处一样、平均、没有差别
解析：选BD 因为无序是各处都一样、平均、没有差别，故D项正确；而有序和无序是相对的，故A项错误；而一个“宏观态”可能对应一个或多个“微观态”，所以B项正确，C项错误。
8．(多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是( )
A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”
B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”
C．“温室效应”使得地面气温上升、两极冰雪融化
D．“温室效应”使得土壤酸化
解析：选BC “温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量。它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升、淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C选项正确。
9．下列关于熵的有关说法错误的是( )
A．熵是系统内分子运动无序性的量度 B．在自然过程中熵总是增加的
C．热力学第二定律也叫做熵减小原理 D．熵值越大代表越无序
解析：选C 根据熵增加原理，不可逆过程总是朝着熵增大的方向进行，故C错。
10．下列供热方式最有利于环境保护的是( )
A．用煤做燃料供热 B．用石油做燃料供热
C．用天然气或煤气做燃料供热 D．用太阳能供热
解析：选D 煤、石油、天然气、煤气均为常规能源(化石能源)，大量使用会产生二氧化碳，加重“温室效应”，并且燃料燃烧释放的气体中含有有毒有害气体，污染环境。而太阳能是一种清洁能源，对环境影响小。故D对。
11．若一气泡从湖底上升到湖面的过程温度保持不变，则此过程中关于气泡中的气体，下列说法正确的是( )
A．气体分子间的作用力增大 B．气体分子的平均速率增大
C．气体分子的平均动能减小 D．气体组成的系统的熵增加
解析：选D 气体分子之间的距离很远，分子间的作用力可以认为为零，A项错误；由于温度是分子热运动的平均动能的标志，温度不变，气体分子热运动的平均动能就不变，气体分子热运动的平均速率就不变，B、C项错误；自发的自然过程中，熵值是增加的，D项正确。
12．(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的方向性
解析：选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，恰恰说明符合热力学第二定律，故C、D对。
13．(多选)关于气体向真空中扩散的规律的叙述中正确的是( )
A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C．扩散到真空中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大
D．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析：选ACD 气体分子向真空中扩散中时，分子数越少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大；分子数越多，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A正确B错误。扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观态最多，并且这一宏观态的无序性最强，C、D正确。
14.质量一定的某种物质，在压强不变的条件下，由液体Ⅰ与气态Ⅲ(可看成理想气体)变化过程中温度(T)随加热时间(t)变化关系如图所示。单位时间所吸收的热量可看成不变。
(1)以下说法正确的是________。
A．在区间Ⅱ，物质的内能不变
B．在区间Ⅲ，分子间的势能不变
C．从区间Ⅰ到区间Ⅲ，物质的熵增加
D．在区间Ⅰ，物质分子热运动的平均动能随着时间的增加而增大
(2)在区间Ⅲ，若将压强不变的条件改为体积不变，则温度升高________(选填“变快”“变慢”或“快慢不变”)。
解析：(1)区间Ⅱ是汽化过程，要吸收热量，内能增加，A错误；区间Ⅲ看成理想气体，无分子势能，B正确；从区间Ⅰ到区间Ⅲ是不可逆过程，分子无序性增加，熵增加，C正确；在区间Ⅰ，随时间增加，物质温度升高，分子热运动的平均动能增大，D正确。
(2)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，理想气体的状态方程eq \f(pV,T)＝C可知，在吸收相同的热量Q时，压强不变的条件下，V增加，W＜0，ΔU1＝Q－|W|；体积不变的条件下，W＝0，ΔU2＝Q；
所以ΔU1＜ΔU2，体积不变的条件下温度升高变快。
答案：(1)BCD (2)变快 理由见解析
【判断题】
(1)一切与热现象有关的微观自然过程都是不可逆的。(×)
(2)第二类永动机违反了能量守恒定律。(×)
(3)只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能。(×)
(4)熵越小，系统对应的微观态就越少。(√)
(5)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会增加。(×)
(6)大量分子无规则的热运动能够自动变为有序运动。(×)
(7)能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质的降低。(×)
(8)热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程。(√)
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
形成或转换特点
一次能源
自然形成，未经加工
太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源
由一次能源经加工转换而成
焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能
利用技术
常规能源
已大规模正常使用
煤、石油、天然气
新能源
正在开发或有新利用方式
太阳能、水能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
可否再生
可再生能源
可循环使用、不断补充
水能、风能、生物质能、地热能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气、核燃料
对环境污染情况
清洁能源
对环境基本上没有污染
太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
化石燃料(煤、石油、天然气)