高中物理第5章热力学定律章末小结与测评教学案鲁科版

第3节热力学第二定律 第4节熵——无序程度的量度1．知道与热现象有关的宏观过程具有方向性．知道什么是可逆过程和不可逆过程．2．了解热机的基本工作原理，理解热力学第二定律，知道热力学第二定律不同的表述方式是等效的． 3．能利用热力学第二定律解释一些物理现象，了解第二类永动机的设想及其不可能实现的原因． 4．了解热力学第二定律的微观本质．5．初步了解熵是反映系统无序程度的物理量． 6．知道熵增加原理及其作用． ●教学地位热力学第二定律与热力学第一定律都是热力学的基本定律．二者从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础.●新课导入建议 覆水难水君不见黄河之水天上来 奔流到海不复回大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性？这是本节课研究的课题． ●教学流程设计课前预习安排：1.看教材2.填写【课前自主导学】(同学之间可进行讨论)步骤1：导入新课，本节教学地位分析步骤2：老师提问，检查预习效果(可多提问几个学生)⇒步骤3：师生互动完成“探究1”互动方式(除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路)⇓步骤7：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况步骤6：完成“探究3”(重在讲解规律方法技巧)步骤5：师生互动完成“探究2”(方式同完成“探究1”相同)步骤4：让学生完成【迁移应用】，检查完成情况并点评⇓知识1 自然过程的方向性1.基本知识(1)可逆过程和不可逆过程①可逆过程：能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程．②不可逆过程：如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程．(2)热传递的方向性温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，但不会自发地从低温物体传给高温物体．这说明热传递是不可逆过程，具有方向性．(3)功转变为热的方向性在焦耳的叶轮搅水实验中，重物下落使水温上升，是机械能转化为内能的过程；与此相反过程，即水温自动降低，产生水流，推动叶片转动，带动重物上升的过程是不可能发生的，尽管它不违背热力学第一定律．可见功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性．(4)热转变为功的方向性①热机：消耗内能对外做功的装置．②原理：热机必须工作在两个温度不同的热源之间，通过工作物质，将从高温热源吸收的热量，一部分用来对外做功，另一部分完全损耗掉，损耗的热量不可能再自动地收集起来．所以热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性．(5)结论凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性．2．思考判断(1)凡是不违背能量守恒的过程都一定能实现．(×)(2)在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体．(√)(3)机械能可以转变为内能，内能不可以转变为功．(×)3．探究交流请举出日常生活中的一些不可逆过程．【提示】(1)破镜不能重圆．(2)水从高山流到河谷，不可能自己再返回高山．(3)一滴墨水滴入一杯清水中，墨水扩散均匀后，不可能再自动地凝聚成一滴墨水.知识2 热力学第二定律的表述1.基本知识(1)第一种表述(克劳修斯表述)不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化．(说明热传导的方向性)(2)第二种表述(开尔文表述)不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化．(说明机械能与内能转化的方向性) 热力学第二定律的这两种表述是等价的．热现象的宏观过程是不可逆的．(3)第二类永动机①定义从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器．②第二类永动机不可能制成第二类永动机并不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律．③热力学第二定律的又一表述第二类永动机是不可能制成的．2．思考判断(1)第一类永动机违背了能量守恒定律．(√)(2)第二类永动机违背了热力学第一定律．(×)(3)第二类永动机违背了热力学第二定律．(√)3．探究交流有可能制成第二类永动机吗？【提示】第二类永动机不可能制成，尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性．知识3熵和熵增加原理1.基本知识(1)定义用来量度系统无序程度的物理量叫做熵．(2)熵增加原理在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行，孤立系统是指与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统．(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．思考判断(1)熵是系统内分子运动无序性的量度．(√)(2)在自然过程中熵总是增加的．(√)(3)熵值越大代表越有序．(×)3．探究交流质量相同、温度相同的水，如图5－3－1所示分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？气体液体固体图5－3－1【提示】根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又有一种表述：由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少，这也就是说，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少．质量相同、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小.课堂互动探究探究1 对热力学第二定律的理解【问题导思】1．热力学第二定律的两种表述是什么？2．热力学第二定律的不同表述有什么共同的物理意义？1．两种表述是等价的热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联系，然而实际上它们是等价的，即由其中一个，可以推导出另一个．2．克劳修斯表述指明热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助，其物理本质是揭示了热传递过程是不可逆的．3．开尔文表述中的“单一热源”指温度恒定且均匀的热源．“不引起其他变化”是指唯一效果是热量全部转变为功而外界及系统都不发生任何变化．其物理实质揭示了热转变为功过程是不可逆的．4．热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的．特别提醒1．在可以引起其他影响的情况下，热可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等．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．例一根据热力学第二定律，下列说法中正确的是()A．电流的电能不可能全部转变成内能B．在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能C．在热机中，燃气的内能不可能全部转变为机械能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【审题指导】解题的关键是理解热传导的方向性和能量转化的方向性．【解析】电能可以全部转化为内能，如纯电阻电路，而燃气的内能不可能全部转化为电能和机械能，故A 错误，B、C正确．根据热力学第二定律关于热传导的描述，D正确．【答案】BCD迁移应用1．下列关于热现象的描述正确的是()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则的【答案】 C探究二对熵和熵增加原理的理解【问题导思】1．什么是熵？它是由物体的什么决定的？2．从熵的概念分析，热力学第二定律的实质是什么？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，这个系统的熵就越大．2．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展．3．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小，这就是熵增加原理．4．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．特别提醒熵增加原理的适用对象是对于孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少．例二对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是()A．系统的总熵只能增大，不可能减小B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小C．系统逐渐从比较有序的状态向无序的状态发展D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展【审题指导】熵是反映系统的无序程度的物理量，根据熵增加原理，一个孤立系统熵永远不会减小．熵越大，无序程度越大．【解析】根据熵增加原理，一个孤立系统发生的实际过程，总熵只能增大，A正确，B错误．再根据熵的物理意义，它量度系统的无序程度，熵越大，无序程度越大，故C正确，D错误．【答案】AC规律总结1．熵增加原理是判断不同状态的物体不可逆过程进行方向的共同标准．2．熵增加原理与能量守恒定律在物理学中具有同等重要的地位，二者都是对自然过程的一种限制．迁移应用2．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．熵值越大表示系统越无序【解析】根据熵的定义知A正确．从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展，B正确．热力学第二定律也叫熵增加原理，C错．熵越大，系统越混乱，无序程度越大，D正确．故选C.【答案】 C探究3综合解题方略——热力学第一定律与热力学第二定律的应用例三下列说法正确的是()A．物体吸收热量，其温度一定升高B．热量只能从高温物体向低温物体传递C．遵守热力学第一定律的过程一定能实现D．做功和热传递是改变物体内能的两种方式【审题指导】根据热力学第一定律，热传递和做功都可以改变物体的内能．再根据热力学第二定律，可以判定热现象能不能发生．【规范解答】物体吸热温度不一定升高，A错．热量只能自发地从高温物体向低温物体传递，B错．遵守热力学第一定律的过程不一定能实现，C错．应选D.【答案】 D规律总结【备课资源】(教师用书独具)可逆过程与不可逆过程1．可逆过程在一个过程发生时，系统从某个状态Ⅰ经过一系列的中间状态，最后变化到另一个状态Ⅱ.如果使系统进行逆向变化，由状态Ⅱ经历与原过程完全一样的那些中间状态，回复到原状态Ⅰ；并且在逆向变化的过程中，原过程对外界所产生的一切影响逐步地被一一消除，在外界不留丝毫痕迹，则由状态Ⅰ到状态Ⅱ的过程，称为可逆过程．可逆过程的条件：(1)单纯的、无机械能耗散的机械过程是可逆的．例如：一个理想的单摆，在没有空气阻力和其他摩擦力作用时，它的摆动过程是可逆的．(2)无摩擦、无耗散(漏气、散热或电磁损耗等)的准静态过程是可逆的．例如：如果气体膨胀或压缩的过程进行得无限缓慢，使气体在过程中的每一时刻都处于平衡态，而且没有漏气、摩擦和散热等损耗，则当过程逆向进行时，就能重复原过程的所有中间状态并恢复原状，在外界也不留下任何痕迹．即在不考虑摩擦、漏气和散热等损耗的理想情形下，准静态过程是可逆的．(说明：准静态过程是一种理想过程，当实际过程进行得无限缓慢时，各时刻系统的状态就无限地接近于平衡态，该过程便是准静态过程．)2．不可逆过程如果系统不能逆向回复到状态Ⅰ，或当系统在回复到初状态Ⅰ的逆向过程中，引起外界的变化，在外界留下了痕迹，使外界不能回复原状，则由状态Ⅰ到状态Ⅱ的过程，称为不可逆过程．自然界一切自发过程都是不可逆过程．例如：(1)气体会自动地向真空膨胀，而不会自动地向一边收缩而使另一边变成真空．(2)高处的水会自动地向低处流动，而不可能自动地从低处流向高处．(3)热量会自动地从高温物体传向低温物体，而不会自动地从低温物体传向高温物体.。

[例证1] 用轻质细线把两个质量未知的小球
悬挂起来，如图5－1所示。今对小球a持续施加一
个向左偏下30°的恒力，并对小球b持续施加一个
向右偏上30°的同样大的恒力，最后达到平衡。 图5－1
表示平以整体为研究对象，a、b两球受竖直向下 的重力作用而处于平衡状态，因此它们必受一个竖直向上 的绳子Oa对它们的拉力，所以绳子Oa段只可能是竖直向上， 如选项A所示。分析ab段绳子的情况，须隔离b球，b球的受 力情况为：竖直向下的重力、向右偏上30°的恒力，要处 于平衡状态，必定还受一个左偏上Fab的力的作用。a、b两 球所处的平衡位置如选项A所示。
章 末 复
第习 5方 章案
与 全 优 评 估
专题·迁 移·发散
专题一 专题二
检测·发现·闯关
解答平衡问题时，常用整体法与隔离法分析受力情况， 结合平衡条件列方程式求解，二者灵活运用、交叉运用， 从而优化解题思路和方法，使解题简捷明快。
1．隔离法 把某一个物体从它周围环境中隔离出来，分析该物体 受到了哪些力。该方法主要应用于研究系统内某个物体的 受力、运动情况。 运用该方法解题的基本步骤是：
[解析] 因为绳结O处受到重物的拉力 T，所以才使OA绳和OB绳受力， 因此将拉 力T分解为TA和TB，如图所示。OA绳固定， 则TA的方向不变，在OB绳向上靠近OC的过程 中，在B1、B2、B3三个位置，两绳受的力分别为TA1和TB1、 TA2和TB2、TA3和TB3。从图中可看出TA一直减小，而TB却 是先减小后增大，当OB与OA垂直时TB最小。
(1)明确研究对象； (2)将“研究对象”从系统或某过程中隔离出来； (3)画出“研究对象”受到的力的示意图； (4)运用平衡条件列式求解。
2．整体法 把两个或两个以上的物体看成一个整体，分析整体受 力的方法叫整体法。主要应用于几个物体有共同的运动状 态，如几个物体都静止或匀速直线运动，或者一起保持相 对静止，一起加速运动的情况。整体法的优点是可以不考 虑几个物体间相互作用的力，而只分析整体受到的力。作 出整体的受力分析图，对整体应用平衡条件求解。

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2．不同形式能量之间的转化：“摩擦生热”是通过克服摩擦 做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做 功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功 可将电能转化为内能，汽缸内燃油燃烧释放的内能通过燃气推 动活塞做功而转化为机械能等．这些实例说明了不同形式的能 量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的．
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(1)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失 了．( ) (2)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能．( )
提示：(1)× (2)√
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不同形式的能量之间的转化 1．自然界中能量的存在形式：物体运动具有机械能、分子热 运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能 等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对 应．
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3．亥姆霍兹的贡献：从理论上把力学中的能量守恒原理推广 到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的__统__一_性__．
焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？ 提示：焦耳是采用严格定量实验分析方法，迈尔研究的范围比 较广泛，但他采用的是定性研究的方法．
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[思路点拨] 风车带动水车做功的过程，是将风的动能转化为 水的重力势能的过程，在讨论这个问题时要紧紧围绕能量转化 的关系．
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[解析] 在时间 t 内吹在风车上的空气的质量为
m1＝14πd2·vt·ρ
风的动能 Ek＝12m1v2＝18πd2v3tρ

第1节 热力学第一定律 第2节 能量的转化与守恒(建议用时：45分钟)[学业达标]1．在热力学第一定律的表达式ΔU ＝W ＋Q 中，关于ΔU 、W 、Q 各个物理量的正、负，下列说法中正确的是( )A ．物体对外界做功时W 为负B ．物体吸收热量时，Q 为正C ．内能减少时，ΔU 为正D ．内能增加时，ΔU 为正E ．W 为正，Q 为负时，ΔU 一定为零【解析】 根据公式ΔU ＝W ＋Q 及W 、Q 、ΔU 的符号法则得A 、B 、D 正确．【答案】 ABD2．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是( )A ．用太阳灶烧水是太阳能转化为内能B ．电灯发光是电能转化为光能C ．核电站发电是电能转化为内能D ．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能E ．跳高运动员跳起时，体内的化学能转化为机械能【解析】 核电站发电是核能转化为电能，生石灰放入水中使水温升高，是化学能转化为内能．【答案】 ABE3. 某物体温度升高了，这说明( )A ．该物体一定吸收了热量B ．该物体可能放出了热量C ．外界对物体可能做了功D ．物体可能吸收了热量E ．外界对物体一定做了功【解析】 由ΔU ＝Q ＋W 来分析，物体温度升高了，一定有物体的内能增加，ΔU >0，要满足ΔU >0可能有多种情况：①W >0，Q ＝0；②W ＝0，Q >0；③W >0，Q >0；④W >0，Q <0，W >|Q |；⑤W <0，Q >0，Q >|W |.由①否定选A ；④与选项B 一致，①③④与选项C 一致；②③⑤与选项D 一致，故选项B 、C 、D 正确．【答案】 BCD气体对外界做功，J 42.5×10从外界吸收热量，一定量的理想气体在某一过程中．4)(则该理想气体的，J 41.0×10A ．密度增大B ．密度减小C ．温度降低D ．温度升高E ．内能增加U Δ可知J 41.0×10＝－W ，J 4105×2.＝Q ，Q ＋W ＝U 一定律Δ由热力学第 【解析】大于零，气体内能增加，温度升高，C 错，D 、E 对；气体对外做功，体积增大，密度减小，B 对，A 错． 【答案】 BDE5．下列关于第一类永动机的说法正确的是( )A ．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器B ．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律C ．第一类永动机不能制成的原因是技术问题D ．第一类永动机终究有一天能够实现E ．第一类永动机不可能制成是因为违背了能量的转化和守恒定律【解析】 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律．这也是它不能制成的原因．故A 、B 、E 三项正确，C 、D 两项错误． 【答案】 ABE6．密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)( )A ．内能增大B ．内能减小C ．对外界做功D ．外界对其做功E ．放出热量【解析】 气体降温则内能减小，变扁则体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU ＝Q ＋W 可知，气体一定放出热量．故选项B 、D 、E 正确．【答案】 BDE空气的内能增，J 52×10活塞对气缸中空气做功为，空气压缩机在一次压缩过程中．7J.______热为)”放“或”吸“选填____(则气体，J 51.5×10加了 ＝－Q 所以，Q ＋J 52×10＝J 5101.5×得：W ＋Q ＝U Δ由热力学第一定律： 【解析】故放热．，J 45×10 45×10放 【答案】 8．水能是一种清洁能源．位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流速达每秒 6 000，%50设其效率为，．若利用这一资源发电m 50 瀑布落差，而且是一年四季流量稳定，3m 估算发电机的输出功率.【导学号：30110063】【解析】 每秒流下的水量m ＝Vρ＝6 000×103kg ， 由能的转化和守恒知mgh ×50%＝Pt .式中m 取6 000×103kg ，t 取1 s ，h ＝50 m ， 解得P ＝1.5×109W. 【答案】 1.5×109 W[能力提升]9．如图5­1­3所示，A 、B 两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态．当气体自状态A 变化到状态B 时( )图5­1­3A ．体积必然变大B ．不可能经过体积减小的过程C ．外界必然对气体做正功D ．气体必然从外界吸热E ．气体必然对外界做功【解析】 本题是气体状态变化、图象与热力学第一定律结合的综合分析题．连接B变化到状态A 确；由于没有限制自状态正A 所以，A V ＞B V 故有，得到两条等容线，OB 、OA 的过程，所以可先减小气体的体积再增大气体的体积到B 状态，故B 错误；因为气体体积增大，所以是气体对外做功，C 错误，E 正确；因为气体对外界做功，而气体的温度又升高，内能增大，由热力学第一定律知气体一定从外界吸热，D 正确．【答案】 ADE10．如图5­1­4所示，一绝热容器被隔板K 隔开a 、b 两部分．已知a 内有一定量的稀薄气体，b 内为真空，抽开隔板K 后，a 内气体进入b ，最终达到平衡状态．在此过程中( )【导学号：30110064】图5­1­4A ．气体对外界做功B ．气体不做功C ．气体压强变小，温度降低D ．气体压强变小，温度不变E ．内能不变【解析】 绝热容器内的稀薄气体与外界没有热交换，Q ＝0.稀薄气体向真空中扩散没有做功，W ＝0.根据热力学第一定律知稀薄气体的内能不变，则温度不变．稀薄气体体积增大，压强必减小．选项B 、D 、E 正确．【答案】 BDE11．一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J ，并对外做功120 J ，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J 热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做多少功？【解析】 (1)由热力学第一定律可得 ΔU ＝W ＋Q ＝－120 J ＋280 J ＝160 J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化，则从2状态到1状态的内能应减少160 J ．即ΔU ′＝－160 J ，又Q ′＝－240 J ，根据热力学第一定律得ΔU ′＝W ′＋Q ′，所以W ′＝ΔU ′－Q ′＝－160 J －(－240 J)＝80 J ，即外界对气体做功80 J.【答案】 (1)增加了160 J (2)外界对气体做功80 J12．如图5­1­5所示是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为22 cm ，现在用竖直向下的外力F 压缩气体，使封闭空气柱长度变为2 cm ，人不计活塞重力．问：，Pa 51×10＝0p 大气压强为，J 100 对活塞做功图5­1­5(1)若用足够长的时间缓慢压缩气体，求压缩后气体的压强为多大？(2)若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为20 J ，则气体的内能增加多少？(活)2cm 1 ＝S 塞的横截面积 ，cm 22 ＝0l ，S 活塞的横截面积为，p 设压缩后气体的压强为(1) 【解析】 lS＝V ，S 0l ＝0V ，cm 2 ＝l 缓慢压缩气体温度不变，由玻意耳定律得：Pa.61.1×10＝p 解得：，pV ＝0V 0p J2 ＝)l －0l (S 0p ＝1W 大气压力对活塞做功：(2) 由热力学第一定律得：，J 100 ＝2W 人做功 J.82 ＝U Δ代入解得J 20 ＝－Q 将，Q ＋2W ＋1W ＝U Δ J(2)82 Pa 6(1)1.1×10 【答案】。