新教科版物理选修3-3同步课件：第四章 第3、4节 宏观过程的方向性 热力学第二定律

(2)分析热力学第二定律的应用问题时都不能忽视“自发 性”和“不引起其他变化”的物理意义。
1．[多选]下列说法正确的是 A．热量能自发地从高温物体传给低温物体 B．热量不能从低温物体传到高温物体 C．热传导是有方向性的 D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
()
解析：如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物 体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是 不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物 体传到高温物体，选项 A 对，B 错，C 对；气体向真空中膨 胀的过程是不可逆的，具有方向性，选项 D 对。 答案：ACD
热力学第二定律的理解 [例 1] 某校中学生参加电视台“异想天开”节目的活动， 他们提出了下列四个设想方案，从理论上讲可行的是 ( ) A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功 B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下 C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气， 想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝 D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和 热水问题
2．动机
设计 要求
不消耗任何能量，可以 将内能全部转化为机械
不断地做功(或只给予 能，而不引起其他变化(
很小的能量启动后，可 或只有一个热源，实现
以永远运动下去)
内能与机械能的转化)
不可 制成的 原因
违背能量守恒定律
违背热力学第二定律
热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热 现象的宏观过程都具有方向性。理解的关键在于“自发”和 “不引起其他变化”。另外，还要正确区分热力学第一定律 和热力学第二定律。
(2)一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性
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过程具有方向性
D．热力学第二定律表明，所有的物理过程都具有方向性
[解析] 根据热力学第二定律和实验事实都可以说明，热 传递的过程是有方向性的，所以选项 A 正确；第二类永动机 是一种热机，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学 第二定律，所以选项 B 错误，选项 C 正确；热力学第二定律 指出了所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性，并不 是所有的物理过程都具有方向性，因此选项 D 的说法错误。
[解析] 根据热力学第二定律知道，在不产生其他影响时， 内能不能全部转化为机械能，因此从海水中吸收内能全部用来做 功而不产生其他影响是不可能实现的，选项 A 错误；绝对零度 是温度的极值，是不能达到的，选项 B 错误；有害气体和空气不 可能自发地分离，选项 C 错误；利用太阳能最有前途的领域是 通过太阳能电池将太阳能转化为电能再加以利用，选项 D 正确。
1．判断：(1)温度不同的两个物体接触时，温度会自发
地从高温物体传给低温物体。
()
(2)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
() (3)机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做
功以转换成机械能。
()
答案：(1)× (2)√ (3)×
2．思考：热传递的方向性能否简单理解为“热量不会 从低温物体传给高温物体”？
4．其他过程的方向性 (1) 燃烧 现象、 爆炸 现象也具有方向性。 (2)在事件发生时，只沿某个方向发生，而不可能在_没__有_ __外__界__影__响__的情况下沿相反方向发生的过程称不可逆过程。
二、热力学第二定律 1．热力学第二定律的表述 (1)克劳修斯表述 不可能把热量从 低温物体传递到高温物体而不产生其他 影响。 (2)开尔文表述 不可能从单一热源 吸收热量使之全部变为有用的功而不 产生其他影响。 2．意义 热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律。

两种表述开克尔劳文修表斯述表述
实质：凡是与热现象有关的宏

观过程都具有方向性微观意义
第二类永动机不可能制成
1．下列说法正确的是
()
A．机械能全部变成内能是不可能的
B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不
会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一个物体转
移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式
[答案] D
[借题发挥] 理解热力学第二定律的两种表述，抓住其实质， 即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
第二类永动机
[例 2] [多选]下列说法正确的是
()
A．热传递的过程是有方向性的
B．第二类永动机不可能制成，因为它违反能量守恒定律
C．第二类永动机不可能制成，因为机械能和内能的转化
2．热力学第二定律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。
3．热力学第二定律已在物理、化学、生物等自然学 科中有着重要的应用，对我们认识自然、利用自然有重要 的指导意义。
(1)在可以引起其他影响的情况下，热量可以从低温物体 传到高温物体，如空调、冰箱等。
(1)请你根据第二种表述完成示意图乙。 (2)根据你的理解，热力学第二定律的实质是________。
解析：热机是能够从热源吸收热量，把内能转化为机械能的 装置。由热力学第二定律知热机的效率不可能达到 100%，即 热机工作时必定存在向低温物体的散热。热力学第二定律的 实质是一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。 答案：(1)示意图如图所示。
热力学第一定律、第二定律的比较及两类 永动机的比较 1．热力学第一定律与热力学第二定律的关系 热力学第一定律中，摩擦力做功可以全部转化为热，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由热完 全转化为功，热量可以从高温物体自发地传向低温物体。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。热力学 第一定律说明在任何过程中能量必守恒，热力学第二定律却说明并 非所有能量守恒的过程均能实现。热力学第二定律是反映自然过程 进行的方向和条件的一个规律，它指出自然界中出现的过程是具有 方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一些方向的过程则不能 实现。在热力学中，它和第一定律相辅相成，缺一不可。
第3、4节
宏观过程的方向性 热力学第二定律
一、宏观过程的方向性 1．热传递的方向性 在无外界影响的情况下，热只能从高温 物体传向低__温__物 体，要使热量从低温物体传向高温物体，外界必须对物体 做__功__，即热传递具有 方向性 。
2．扩散现象的方向性
实事表明大量分子从某一位置扩散到其他空间，在没有其他
提示：不能。“自发地”是指没有第三者影响，例如空 调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体， 但是也产生了影响，即外界做了功。
对热力学第二定律的理解 1.热力学第二定律揭示了自然界中进行的涉及热现象的 宏观过程(或自然界中实际的宏观过程)都具有方向性。热现象 是与大量分子的无规则运动相联系的，因此，自然界中存在 的凡涉及与分子热运动有关的宏观过程都是有方向性的。这 就是热力学第二定律的实质。
2．第二类永动机不可以制成，是因为
()
A．违背了热力学第一定律
B．热量总是从高温物体传递到低温物体
C．机械能不可能全部转变为内能
D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 解析：第二类永动机设想虽然符合热力学第一定律，但是
违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律，所以不可能
制成，故选 D。 答案：D
3．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：机械能和内能的相互转化，必须通过做功来实现。 答案：C
[答案] AC
[借题发挥] 第二类永动机虽然没有违反能量的转化和 守恒定律，但是机械能和内能的转化具有方向性，尽管机械 能可以全部转化为内能，但是内能却不能全部转化为机械能 而不引起其他变化，即第二类永动机违反了热力学第二定律。

热传递
自然过程的方向性功变热

热机
热力学第二定律
2．关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( ) A．第二类永动机违反能量守恒定律 B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加 C．外界对物体做功，则物体的内能一定增加 D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化 或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的
解析：第二类永动机违反热力学第二定律，并不是违反能量 守恒定律，故 A 错；据热力学第一定律 ΔU＝Q＋W 知内能的 变化由做功 W 和热传递 Q 两个方面共同决定，只知道做功情 况或只知道热传递情况无法确定内能的变化情况，故 B、C 项错误；做功和热传递都可改变物体内能。但做功是不同形 式能的转化，而热传递是同种形式能间的转移，这两种方式 是有区别的，故 D 正确。 答案：D
4．关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是
()
A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并最
终达到绝对零度
B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的
C．第二类永动机遵从能量守恒，故能做成
D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功 2.0×105 J，同
时空气向外界放出热量 1.5×105 J，则空气的内能增加了
0.5×105 J 解析：由热力学第二定律知 B、C 错；绝对零度不可达到，A
错；由热力学第一定律知 D 正确。答案：D
5．热力学第二定律常见的表述有两种。第一种表述：不可能使热量 由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化；第二种表述： 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他 变化。如图甲所示是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示 意图：外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体。