高中物理人教版 (新课标)选修3热力学第二定律学案设计

这是一份高中物理人教版 (新课标)选修3热力学第二定律学案设计，共8页。学案主要包含了热力学第二定律，能源是有限的等内容，欢迎下载使用。

一、热力学第二定律
1．热力学第二定律
在物理学中，反映宏观自然过程的________的定律。
2．热力学第二定律的克劳修斯表述
热量不能自发地从________物体传到________物体。
3．热力学第二定律的开尔文表述
不可能从单一热库吸收________，使之完全变成功，而不产生其他影响。
二、能源是有限的
1．自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量在转移和转化过程中，总量是________的。
2．能量耗散：能源在利用过程中最后都转化为________，不能再自动聚集起来加以利用的现象。
3．能源：具有________的容易利用的储能物质。
4．能量品质变化：能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质降低了，能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
[微情境·大道理]
1.若室内的温度恒定，一杯热水静置一段时间后就会变成一杯常温的水，但一杯常温的水不会自行变成一杯热水。下落的石头因为与空气摩擦而变热，一部分机械能转化成了内能，但石头不能把内能自动转化为机械能，使自己重新飞上天去。
请对以下说法作出判断：
(1)热量可以自发地由高温物体传递到低温物体。( )
(2)热量不可能由低温物体传递到高温物体。( )
(3)能量传递自发进行是有方向性的。( )
2．既然能量守恒，为什么还要节约能源？
强化点(一) 热力学第二定律的理解与应用
任务驱动
如图是热量在传递过程中的情境。
讨论：
(1)在自然过程中热量是如何传递的？
(2)冰箱是如何传递热量的？
[要点释解明]
1．对热力学第二定律的理解
(1)“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。在传热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)“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。
(3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程中所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除。
2．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。
3．热力学过程方向性实例
(1)高温物体eq \(,\s\up7(热量Q能自发传给),\s\d5(热量Q不能自发传给))低温物体
(2)功eq \(,\s\up7(能自发地完全转化为),\s\d5(不能自发地且不能完全转化为))热
(3)气体体积V1eq \(,\s\up7(能自发膨胀到),\s\d5(不能自发收缩到))气体体积V2(较大)
(4)不同气体A和Beq \(,\s\up7(能自发混合成),\s\d5(不能自发分离成))混合气体AB
4．热力学第二定律的其他描述
(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。
[典例] (多选)下列现象不可能发生的是( )
A．在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，能使该房间降温
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能
C．一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能
D．在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体
听课记录：
eq \a\vs4\al(/易错警示/)
对热力学第二定律理解的两个误区
(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体，不能由低温物体传到高温物体。热量可以由高温物体传到低温物体，也可以由低温物体传到高温物体；但是，前者可以自发完成，而后者则必须有外界参与。
(2)误认为机械能可以完全转化为内能，而内能不能完全转化为机械能。机械能可以完全转化为内能，内能也可以完全转化为机械能；但是，前者可以不产生其他影响，而后者一定会产生其他影响。
[题点全练清]
1．(多选)下列说法中正确的是( )
A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C．由自然过程的方向性可以判断物理过程能否自发进行
D．一切物理过程都不可能自发地进行
2．(2024·泰安高二阶段练习)下列说法正确的是( )
A．热量不能由低温物体传递到高温物体
B．外界对物体做功，物体的内能必定增加
C．第二类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律
D．电冰箱虽然可以从低温物体吸收热量，但不违背热力学第二定律
强化点(二) 热机和第二类永动机
任务驱动
如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，请在图片基础上思考以下问题：
(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？
(2)热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？
[要点释解明]
1．热机的特点
(1)热机不仅仅只有一个热库。
(2)热机的效率不可能达到100%。
2．第二类永动机不能制成的原因：违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。
3．第二类永动机不能制成的意义
(1)机械能可全部转化成内能，但内能不能全部转化成机械能。
(2)机械能和内能的转化过程具有方向性。
4．两类永动机的比较
[典例] (多选)根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是( )
A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能而不引起其他变化
B．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体
C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%
D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来
听课记录：
[题点全练清]
1．(多选)关于热机的效率，下列说法正确的是( )
A．有可能达到80% B．有可能达到100%
C．有可能超过80% D．一定能达到100%
2．(2024·哈尔滨高二阶段练习)(多选)下面说法中正确的是( )
A．不可能从单一热源吸热，使之完全变成功，而不产生其他影响
B．热量只能由高温物体传递给低温物体
C．第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第一定律
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
强化点(三) 能量与能量耗散
[要点释解明]
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，它也只不过能使地球、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，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从容易利用的形式降级为不大可用的形式。
3．能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。
[题点全练清]
1．(2024·辽宁葫芦岛高二联考)(多选)下列对能量耗散理解正确的是( )
A．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
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散说明能量可以凭空消失
D．能量耗散说明能量在不断减少
2．(2024·日照高二检测)关于能量和能源，下列说法正确的是( )
A．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
B．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源
C．自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性
D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质提升了
第4节 热力学第二定律
eq \a\vs4\al(课前预知教材)
一、1.方向性 2.低温 高温 3.热量
二、1.守恒 2.内能 3.高品质
[微情境·大道理]
1．(1)√ (2)× (3)√
2．提示：人们在使用能源的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。虽然能量不会减少，但能源会越来越少，所以要节约能源。
eq \a\vs4\al(课堂精析重难)
强化点(一)
[任务驱动] 提示：(1)热量由温度高的物体传递给温度低的物体，或由温度高的地方传递到温度低的地方。
(2)冰箱可以通过电机做功，把热量从温度比较低的冰箱内传递到冰箱外。
[典例] 选AB 在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，消耗了电能，产生了焦耳热，所以房间温度不仅不能降低还会升高，故A不可能发生；蒸汽机不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，转化过程中必然存在能量耗散，故B不可能发生；一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能，C可能发生；在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，D可能发生。
[题点全练清]
1．选AC 自然界中一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故A正确；一切自发进行的与热现象有关的宏观过程都具有方向性，所以不违背能量守恒定律的物理过程不一定都是可以实现的，故B错误；根据热力学第二定律，一切自发进行的与热现象有关的宏观过程都具有方向性，所以可以由自然过程的方向性判断物理过程能否自发进行，故C正确；根据热力学第二定律，一部分物理过程可以自发进行的，故D错误。
2．选D 热量能由低温物体传递到高温物体，此过程会引起其他的变化，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体的内能的变化与外界做功和物体吸收的热量有关，外界对物体做功，若同时物体对外放热，物体的内能可能减小，故B错误；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故C错误；电冰箱虽然可以从低温物体吸收热量，但要消耗一定的电能，所以不违反热力学第二定律，故D正确。
强化点(二)
[任务驱动] 提示：(1)不是。热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。
(2)否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的释放到低温热库。
[典例] 选BC 机械能可以全部转化为内能，在没有外界影响时，内能不能全部用来做功转化为机械能，A错误；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，B正确；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，C正确；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，故第二类永动机不可能制造出来，D错误。
[题点全练清]
1．选AC 根据热力学第二定律，热机效率永远也达不到100%。
2．选AD 根据热力学第二定律可知，不可能从单一热源吸热，使之完全变成功，而不产生其他影响，故A正确；热量可以由低温物体传递给高温物体，但会产生其他影响，故B错误；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故C错误；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，故D正确。
强化点(三)
1．选AB 能量耗散遵守能量守恒定律，能量既不能凭空消失，也不能减少，而是以不同形式存在。能量耗散是指在能量转化的过
程中，其他形式的能最终转化为内能，流散到周围环境中，无法再被利用，使能量的可利用率越来越低，反映了能量流动的方向性。故A、B正确。
2．选C 根据能量守恒定律，能量是不能被创造的，A错误；在能源的利用过程中，虽然能量在数量上并未减少，但是能量的品质在降低，所以需要节约能源，B错误；根据热力学第二定律可知，自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性，C正确；能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质降低了，D错误。
课标要求
学习目标
通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。
1.知道一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。知道热力学第二定律的两种表述内容。
2.体会用热力学第二定律反映宏观自然过程的方向性。体会能量守恒和能源有限。
3.应用热力学定律解释生产生活中的实例。
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,可以不断对外做功(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
制成的
原因
违背了能量守恒定律
违背了热力学第二定律