【物理】2018届一轮复习人教版13-12热力学第二定律能源和可持续发展学案 11页

专题13.12 热力学第二定律 能源和可持续发展 课前预习 ● 自我检测 ‎1．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，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%‎ 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2.0×105J，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 ‎【答案】：D ‎【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．‎ ‎2．下列过程中，可能发生的是(　　)‎ A．某工作物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有其他任何影响 B．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发流进去，恢复原状 C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高 D．将两瓶不同液体自发互融，然后又自发地各自分开 ‎【答案】：C ‎3．根据热力学第二定律，下列说法正确的是(　　)‎ A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 B．电能不可能全部转变成内能 C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能 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 ‎【答案】：ACD ‎【解析】：热力学第二定律指明了宏观热现象具有方向性，利用这一方向性特点进行分析．‎ 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．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(克氏)表述的主要思想，故D正确．由电流热效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能．故B错误．‎ ‎4．电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了(　　)‎ A．热量能自发地从低温物体传给高温物体 B．在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体 C．热量的传导过程不具有方向性 D．在自发地条件下热量的传导过程具有方向性 ‎【答案】：BD ‎5．能源可分为一级能源和二级能源，自然界以现成形式提供的能源称为一级能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源．氢气就是一种高效而没有污染的二级能源，它可以由自然界中大量存在的水来制取．下列叙述正确的是(　　)‎ A．电能是二级能源　　　　 B．水能是二级能源 C．天然气是一级能源 D．焦炉气是一级能源 ‎【答案】：AC ‎【解析】：电能和焦炉气是二级能源，水能和天然气是一级能源．‎ ‎ 课堂讲练 ● 典例分析 知识点一：热力学第二定律的一种表述 ‎1．热传导的方向性 ‎(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)热传导过程是有方向性的．‎ ‎①．“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助．‎ 如：重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它们不受外来干扰，这就是自发的过程；而在夏天，室内温度比外界低，用空调却还能不断地把室内热量向外界传递，是因为电流对空调做了功，不是自发的过程．‎ ‎②．热量从高温物体传递到低温物体，是因为两者存在着温度差，而不是热量从内能大的物体传递到内能小的物体，由内能的定义可知，温度低的物体有可能比温度高的物体内能大．‎ ‎2．热力学第二定律的克劳修斯表述 热量不能自发地从低温物体传到高温物体．即热传导的过程具有方向性．‎ ‎【典例1】．关于制冷机制冷过程的说法中，正确的是(　　)‎ A．此过程违反了热力学第二定律 B．此过程没有违反热力学第二定律 C．此过程违反了能量守恒定律 D．此过程没有违反能量守恒定律 E．此过程在消耗电能的前提下，热量从低温物体传给高温物体 ‎【答案】　BDE ‎【典例2】 根据热力学第二定律，下列说法正确的是(　　)‎ A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 B．电能不可能全部转变成内能 C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能 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 E．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律 ‎【答案】　ACD ‎【解析】　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；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(克氏)表述的主要思想，故D正确．由电流热效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能．故B错误；第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律，故E错误．‎ ‎【总结反思】‎ 理解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”‎ 知识点二：热力学第二定律的开尔文表述 ‎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＝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)‎ ‎3．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．‎ ‎(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背能量守恒定律，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，热机要不断地把吸收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．‎ ‎【典例3】．关于热现象和热学规律，下列说法中不正确的是(　　)‎ A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%‎ 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 E．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 ‎【答案】　ABC ‎【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；机械能可以全部转化内能，内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能，故E正确．‎ ‎【典例4】如图中汽缸内盛有定量的理想气体，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，现将活塞杆缓慢向右移动，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，则下列说法不正确的是(　　)‎ A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律 B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律 E．以上四种说法都不对 ‎【答案】　ABE ‎【总结反思】‎ ‎1．热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性．告诫人们：第一类永动机不可能制成．‎ ‎2．热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性．如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而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性．告诫人们：第二类永动机不可能制成．‎ 知识点三：热力学第二定律的微观解释和熵 ‎1．热力学第二定律的微观解释 ‎(1)热传递过程：从宏观上看，热量自发地从高温物体传到低温物体；从微观角度看，内能从高温物体向低温物体传递，导致高温物体中的分子运动减慢，低温物体中的分子运动加快，到温度相同时，两个物体分子的平均动能相同，热传导这个不可逆过程使分子热运动的无序程度增加了．‎ ‎(2)功转变为热：从宏观上看是机械能或其他形式的能量转化为内能的过程；从微观上看，机械运动中大量分子主要都沿同一方向运动，转变为热运动，分子杂乱无章地向各个方向运动，因此是大量分子从有序运动向无序运动转化的过程．‎ ‎(3)热力学第二定律的微观本质：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．‎ ‎2．熵 ‎(1)熵的概念：物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有：S＝k·ln Ω，式中k叫做玻耳兹曼常数．‎ ‎(2)熵是状态量：熵是热力学中一个重要的状态函数(或叫状态参量)，热力学系统(研究对象)处于任何一个状态都对应着一个熵函数，常用S表示．熵的大小表征着热力学系统内粒子热运动的杂乱无章的程度．熵值越大的状态，系统内粒子热运动就越混乱无序；熵值越小的状态，系统内粒子热运动的无序性就越小．‎ ‎3．熵增加原理 ‎(1)熵是无序程度的量度：根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度．使其熵值达到最大值．‎ ‎(2)热力学系统演化的方向性：对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行，或者说，一个孤立系统的熵永远不会减少，这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式．‎ ‎【典例5】 从微观角度看，下列说法正确的是(　　)‎ A．一个非孤立系统可能从熵大的状态向熵小的状态发展 B．一个非孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展 C．一个宏观状态所对应的微观状越多，越是无序，熵值越大 D．出现概率越小的宏观状态熵值越大 E．出现概率越大的宏观状态，熵值越大 ‎【答案】　ACE 知识点四．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，实际上是将能量从高度有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．‎ ‎2．能源的分类 能源分类方法 能源分类名称 特点 举例 按形式或 转换特点分 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 按利用 技术分 常规能源 已大规模正常使用 煤、石油、天然气、水能 新能源 正在开发，或有新的利用方式 太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能 按可否 再生分 可再生能源 可循环使用 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 按对环境 清洁能源 太阳能、海洋能、风能、水能 污染情况分 对环境基本上没有污染 污染能源 会严重污染环境 化石燃料(煤、石油、天然气)‎ 课后巩固 ● 课时作业 ‎1．第二类永动机不可能制成的原因的下列说法不正确的是(　　)‎ A．违背能量守恒定律 B．热量总是从高温物体传递到低温物体 C．机械能不能全部转化为内能 D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 E．违背了热力学第二定律 ‎【答案】　ABC ‎【解析】　第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但违背了“能量转化过程是有方向性的”规律，故A错．在引起其他变化的情况下，热量可由低温物体非自发地传递到高温物体，故B错．机械能可以全部转化为内能，故C错．‎ ‎2．关于热力学定律和分子动理论，下列说法中不正确的是(　　)‎ A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化 B．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，这在原理上是可行的 C．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量 D．在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小 E．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大 ‎【答案】　ADE ‎3．下列说法中不正确的是(　　)‎ A．电动机是把电能全部转化为机械能的装置 B．热机是将内能全部转化为机械能的装置 C．随着技术不断发展，可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能 D．虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用 E．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 ‎【答案】　ABC ‎【解析】　由于电阻的存在，电流通过电动机时一定发热，电能不能全部转化为机械能，A错误；根据热力学第二定律知，热机不可能将内能全部转化为机械能，B错误；C项说法违背热力学第二定律，因此错误，由于能量耗散，能源的可利用率降低，D正确，在电流做功的情况下，热量可以从低温物体向高温物体传递，故E正确．‎ ‎4．下列说法中不正确的是(　　)‎ A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功 B．热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化 C．热机的效率不可能大于1，但可能等于1‎ D．热机的效率必定小于1‎ E．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车和热机的效率达到100%‎ ‎【答案】　ABC ‎5．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．其原因的下列说法不正确的是(　　)‎ A．这违背了能量守恒定律 B．在任何条件下内能都不可能转化为机械能，只有机械能才会转化为内能 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．机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 E．以上说法均不正确 ‎【答案】　ABE ‎【解析】　机械能和内能可以相互转化，但必须通过做功来实现．由热力学第二定律可知，内能不可能全部转化成机械能，同时不引起其他变化；无论采用任何设备和手段进行能量转化总是遵循选项A的表述．‎ ‎6．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．由热力学第二定律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 E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆的 ‎【答案】　ACE ‎【解析】　热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但可以自发地从高温物体传到低温物体；并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现，故A、C正确，B、D错误，一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，则E正确．‎ ‎7．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 E．电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外，工作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 ‎【答案】　BCE ‎8．下列说法正确的是(　　)‎ A．机械能和内能的转化具有方向性 B．电流的能不可全部转化为内能 C．第二类永动机虽然不违背能量守恒定律，但它是制造不出来的 D．在火力发电机中燃气的内能不可能全部转化成电能 E．第二类永动机既不违背能量守恒定律，也不违反热力学第二定律 ‎【答案】　ACD ‎【解析】　凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能，A、D正确；由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的能可全部转化为内能，而内能不可能全部转化为电流的能，B错误；第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它违反热力学第二定律，是制造不出来的，C正确、E错误．‎ ‎9. 关于热机和永动机，下列说法中正确的是(　　)‎ A．效率为100%的热机是不可能制成的 B．第二类永动机可以制成 C．不需要任何外力做功而可正常运行的制冷机是不可能制成的 D．能把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 E．能把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不能实现的 ‎【答案】　ACE