3.4热力学第二定律

3.4热力学第二定律知识点一、热力学第二定律1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律．2．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．阐述的是传热的方向性．3．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热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W<Q.(2)热力学第二定律的开尔文表述：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．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)．4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的．(选填“等价”或“不等价”)知识点二、能源是有限的1．能源：具有高品质的容易利用的储能物质．2．能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”．3．能源的使用过程中虽然能的总量保持不变，但能量的品质下降了，能源减少了．自然过程的方向性(1)热传导具有方向性两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，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，因而产生其他影响或引起其他变化．(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，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地面上运动，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内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空．2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义(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)“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．热力学第一定律和热力学第二定律的比较1．两定律的比较热力学第一定律热力学第二定律区别是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机联系两定律分别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，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础2.两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，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(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)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（2023春•虹口区校级期末）某校中学生为参加电视台《异想天开》节目，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，想办法使它们自发分离，既清洁了空气，又变废为宝 D．将屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题【解答】解：A．根据热力学第二定律开尔文表述可知：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。因此从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其它影响是不可能实现的，故A错误；B．绝对零度是不可能达到的，故B错误；C．根据熵增加原理可知，混合气体不会自发分离变得有序，只能变得更为无序更混乱，故C错误；D．利用太阳能最有前途的领域是通过太阳电池将太阳能直接转化为电能再加以利用，故D正确。故选：D。（2023•天津模拟）如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法错误的是（）A．气体自发扩散前后内能相同 B．气体在被压缩的过程中内能增大 C．在自发扩散过程中，气体对外界做功 D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功【解答】解：AC、抽开隔板时，由于右方是真空，气体做自由扩散，右方是真空，气体没有对外做功，又没有热传递，则根据ΔU＝Q+W可知，气体的内能不变，故A正确，C错误；BD、气体被压缩的过程中，外界对气体做功，根据ΔU＝Q+W可知，气体内能增大，故BD正确。本题选择错误的，故选：C。（2023春•吕梁期末）下列说法正确的是（）A．当分子力表现为斥力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大 B．当把盛放气体的容器放在加速运动的小车上时，气体的内能增大 C．第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但违反热力学第一定律 D．晶体有固定的熔点，有确定的几何形状，物理性质一定具有各向异性【解答】解：A、当分子力表现为斥力时，分子力随分子间距离的减小而增大。分子力做负功，分子势能也增大，故A正确；B、物体的内能与物体的体积、温度和物质的量有关，与物体的宏观运动无关，而体积、温度和物质的量都没有改变，所以内能不变，故B错误；C、热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的一种具体表现形式，第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，故C错误；D、晶体分为单晶体和多晶体，晶体都有固定熔点，单晶体具有规则的几何外形和物理性质的各向异性，多晶体的物理性质各向同性，没有固定的几何形状，故D错误。故选：A。（2023春•大余县期末）关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是（）A．只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，就可以计算出气体分子的体积 B．悬浮在液体中的固体颗粒越大，布朗运动就越明显 C．一定质量理想气体，保持气体的压强不变，温度越高，体积越大 D．第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律【解答】解：A、由于气体分子间距较大，根据气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数能算出每个气体分子占据的空间大小，该空间大小比气体分子的体积大的多，不能算出气体分子的体积。故A错误；B、悬浮在液体中的固体微粒越小，液体分子与固体颗粒碰撞的不平衡性越明显，布朗运动就越明显，故B错误；C、一定质量的理想气体，保持气体的压强不变，根据盖﹣吕萨克定律，温度越高，体积越大，故C正确；D、第二类永动机不可能制成是因为它违反了热力学第二定律，没有违反能量守恒定律，故D错误故选：C。（2023春•辽阳期末）电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器四个部分组成一个密闭的连通系统，制冷剂在连通系统内循环流经这四个部分。各部分的温度和压强如图所示，则下列说法正确的是（）A．制冷剂在蒸发器中的状态可以看成理想气体 B．该过程实现了热量从低温物体向高温物体传递，符合热力学第二定律 C．冷凝器向环境散失的热量可能小于蒸发器从冰箱内吸收的热量 D．制冷剂在通过冷凝器的过程中分子势能和分子动能都增大【解答】解：A、制冷剂在蒸发器中虽然是气体状态，但不满足远离液化的状态，所以不能看成理想气体，故A错误；B、该过程实现了热量从低温物体向高温物体传递，因为消耗了能量，符合热力学第二定律，故B正确；C、由于压缩机要做功，所以冷凝器向环境散失的热量大于蒸发器从冰箱内吸收的热量，故C错误；D、温度是分子平均动能的标志。在冷凝器中制冷剂温度降低，分子平均动能降低，分子间距从气体过渡到液体，分子势能降低，故D错误。故选：B。（2023春•六盘水期末）根据热力学定律，下列说法正确的是（）A．气体被缓慢压缩时，内能可能不变 B．对能源的过渡消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机” C．一定质量的理想气体，在压强减小、体积增大时，一定从外界吸收热量 D．一定质量的理想气体，在温度降低、体积增大时，一定从外界吸收热量【解答】解：A．根据所学知识可知，改变内能的方法有热传递和做功，气体被缓慢压缩时，如果同时对外放热，气体内能可能不变，故A正确；B．能源有可利用能源和不可利用能源之分，总能量保持不变，所以我们仍然应该节约使用的是可利用能源，故B错误；C．由一定质量的理想气体状态方程PVT=C可知一定质量的理想气体，在压强减小、体积增大时，气体温度的变化无法判断，因此无法判断气体内能的变化，无法确定气体与外界的热传递情况，故D．一定质量的理想气体，在温度降低、体积增大时，气体对外做功，气体内能减小，根据热力学第一定律ΔU＝Q+W，根据题意无法分析出Q的正负，所以气体吸热放热情况未知，故D错误。故选：A。（2023春•武汉期末）1827年，布朗作为英国植物学家，在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉不停顿的无规则运动．1905年，爱因斯坦根据扩散方程建立布朗运动的统计理论，从而使分子动理论的物理图景为人们广泛接受．关于分子动理论相关知识，下列说法中正确的是（）A．分子的扩散现象是可逆的 B．布朗运动证明组成固体小颗粒的分子在做无规则运动 C．花粉颗粒越小，无规则运动越明显 D．分子永不停息的无规则运动说明永动机是可以实现的【解答】解：A、根据热力学第二定律，可知分子的扩散现象是不可逆的，故A错误；B、布朗运动是固体小颗粒的无规则运动，反映了液体分子在做无规则运动，故B错误；C、花粉颗粒越小，受到液体分子的撞击越不均衡，花粉的无规则运动越明显，故C正确；D、永动机违背了热力学第二定律或能量守恒定律是不可以实现的，故D错误。故选：C。（2023春•广州期末）如图所示为家用电冰箱的工作原理简化图.压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，在蒸发器中的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．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律 C．冷凝器中的制冷剂在液化过程中体积增大，内能增加 D．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【解答】解：A、由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，可知热量不能够自发地从冰箱内传到冰箱外，故A错误；B、电冰箱把热量从低温物体传到高温物体，需要压缩机的帮助并消耗了电能，即该过程不是自发进行，而是有外界的影响，可知电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律，故B错误；C、制冷剂遇冷放热，然后液化，制冷剂向外放热，内能减小，故C错误；D、根据上述，电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，即该过程不是自发进行，而是有外界的影响，即是因为其消耗了电能，故D正确。故选：D。（2023春•石家庄期末）关于热现象的解释，下列说法正确的是（）A．布朗运动中，液体温度越低、悬浮微粒越大，布朗运动越剧烈 B．空调制冷能够使室内温度降低，说明热量可以从低温物体传向高温物体 C．将充满气的气球压扁时需要用力，这是由于气体分子间存在斥力的缘故 D．液体表面层分子间的距离小于液体内部分子间的距离，所以产生表面张力【解答】解：A、布朗运动中，液体温度越高、悬浮微粒越小，布朗运动越剧烈，故A错误；B、空调制冷能够使室内温度降低，说明热量可以从低温物体传向高温物体，故B正确；C、将充满气的气球压扁时需要用力，这是由于气体压强的原因，故C错误；D、液体表面层分子间的距离大于液体内部分子间的距离，所以产生表面张力，故D错误。故选：B。（2023•黄埔区校级三模）压缩空气储能（CAES）是一种利用压缩空气来储存能量的新型储能技术，绝热压缩空气储能方式是压缩空气并将产生的热能储存在各种介质当中，比如混凝土、石头、矿洞矿石中等。需要发电的时候让压缩空气推动发电机工作，这种方式能够将压缩空气储能的效率提升。对于上述过程的理解，下列说法正确的是（）A．绝热压缩空气，分子平均动能不变 B．绝热压缩空气，温度升高，气体内能一定增大 C．该方式能够将压缩空气储能的效率提升到100% D．压缩空气推动发电机工作，是气体对外做功，内能增大【解答】解：AB．绝热压缩空气前后，与外界无热量交换，Q＝0，外界对气体做功，W＞0，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q，内能增大，温度升高，分子平均动能增大，故A错误，B正确；C．压缩空气储能的过程涉及热运动的能量转换过程，根据热力学第二定律可知，任何转换过程效率都不可能达到100%，故C错误；D．压缩空气膨胀推动发电机工作，是气体体积增大对外做功，W＜0，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知，内能减少，故D错误。故选：B。（2023•市中区校级二模）下列说法正确的是（）A．改进内燃机结构，提高内燃机内能转化率，最终可以实现内燃机的效率为100% B．某固体在某物理性质上表现为各向同性，该物体一定为非晶体 C．发生毛细现象时，细管中的液体可能上升也可能下降 D．扩散现象和布朗运动的实质是相同的，都是分子的无规则运动【解答】解：A．根据热力学第二定律，由于一定存在热量损耗，内燃机的效率不可能达到100%，故A错误；B．多晶体和非晶体都有各向同性的特点，故B错误；C．发生毛细现象时，浸润液体在细管中上升，不浸润液体在细管中下降，故C正确；D．扩散现象是分子的无规则运动，布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动，间接反映了液体分子的无规则运动，故D错误。故选：C。（2023•荔湾区校级四模）火热的6月即将到来，高三的同学们也进入高考最后的冲刺，教室里的空调为同学们提供了舒爽的环境，空调的工作原理如图所示，以下表述正确的是（）A．空调的工作原理对应的是热力学第一定律的开尔文表述 B．空调的工作原理反映了热传导的方向性 C．此原理图中的Q1＝Q2 D．此原理图说明热量不能从低温物体传到高温物体【解答】解：A.空调的工作原理对应的是热力学第二定律的开尔文表述，故A错误；B.空调的工作原理反映了热传导的方向性，热量不能自发的从低温物体传导给高温物体，但在其他能力干预下，可以从低温物体传导给高温物体，故B正确；C.此原理图中的Q1＝Q2+W故C错误；D.此原理图说明在外界干预下，热量能从低温物体传到高温物体，故D错误。故选：B。（2023•佛山二模）“奋斗号”潜水器2020年成功坐底马里亚纳海沟，标志着我国载人深潜技术已达世界领先水平。现利用固定在潜水器体外的一个密闭气缸做验证性实验：如图，气缸内封闭一定质量的理想气体，轻质导热活塞可自由移动。在潜水器缓慢下潜的过程中，海水温度逐渐降低，则此过程中理论上被封闭的气体（）A．从外界吸热 B．压强与潜水器下潜的深度成正比 C．体积与潜水器下潜的深度成反比 D．单位时间内气体分子撞击单位面积器壁的次数增多【解答】解：A、在潜水器缓慢下潜的过程中，气体的压强逐渐增大，体积逐渐减小，则外界对气体做功，又因为海水温度降低，所以气体的温度也降低，根据热力学第一定律ΔU＝Q+W可知，Q＜0，即气体向外界放热，故A错误；BC、根据压强的计算公式可得：p1+p0+ρgh所以压强不与潜水器下潜的深度成正比，根据一定质量的理想气体的状态方程pV＝nRT可知，气体的温度下降，压强增大，无法分析出体积与潜水器下潜深度的关系，故BC错误；D、根据上述分析可知，因为气体压强增大，且温度降低，则单位时间内气体分子撞击单位面积器壁的次数增多，故D正确；故选：D。（2023•泉州模拟）2022年5月，我国首个商用压缩空气储能电站投产发电。在用电低谷期，利用剩余的电力把洞外空气压缩到盐矿开采后留下的密闭盐穴矿洞中，储存能量；在用电高峰期，将储存