第12.3节能量转化的方向性（原卷版）

第十二章热力学定律12.3能量转化的方向性🧭目标导航知识要点难易度1.自发过程的方向性：热现象都是不可逆2.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述3.能量的耗散和品质退降★

★★★★📚知识精讲一、热力学第二定律1.自发过程的方向性(1)问题：在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或消失的过程是不可能出现的。但符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？(2)自发热现象：热传递：从高温到低温；气体膨胀：体积由小到大扩散：密度由密到疏；摩擦生热：做功转化为热(3)凡是涉及热现象的自发过程，都有特定的方向性。而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，也不会自发地进行。这就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。(4)本质上，自发的热现象是从有序到无序的过程。用熵来表示无序程度，即热现象过程都是熵增加的过程。2.热力学第二定律内容反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。(1)克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。制冷机工作原理Q1=Q2+WQ1：向高温热库放出的热量W：外界所做的功Q2：从低温热库吸收的热量克劳修斯表述阐述的是传热的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量可以自发地从高温物体传向低温物体。强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体”要实现相反方向的过程，必须借助外界的做功，因而产生其它影响或引起其它变化。(2)开尔文表述：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。热机工作原理Q1=Q2+WQ1：从高温热库吸收的热量W：对外界所做的功Q2：向低温热库散发的热量机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部转换为机械能。“不可能从单一热库吸收热量”的意义：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。(3)第二类永动机如果一台热机，效率为：，热机从热源吸取的热量Q1全部变成功W，即Q2＝0，该机器唯一的结果就是从单一热源吸取热量全部变成功而不产生其它影响。此时热机的效率η＝1(100%)。η＝1的热机称为第二类永动机。开尔文表述也可以表述为：第二类永动机是不可能制造成功的。(4)热力学第二定律是一个统计规律。这个规律是由大量分子无规则运动所具有的统计规律所决定的。热力学第二定律只适用于大量分子构成的系统，不适用于单个分子或少量分子构成的系统。例1.判断正误。(1).随着科技的进步，所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生。（）(2).一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的。（）(3).气体向真空的自由膨胀是可逆的。（）(4).机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能且不产生其他影响。（）(5).机械能全部转化为内能是不可能的。（）(6).从单一热源吸收的热量全部变成功是不可能的。（）(7).一定质量的理想气体在等温膨胀过程中吸收的热量等于对外做的功，并不违反热力学第二定律。（）(8).空调既能制热也能制冷，说明热量能够从低温物体传到高温物体。（）例2.(多选)下图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，使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二定律D.电冰箱的工作原理违背了热力学第二定律二、能量的耗散和退降1.能量耗散：能量耗散是指其他形式的能转化为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象，能够重新收集并加以利用的不能称为能量耗散。例如，汽车行驶时，汽油在汽缸中燃烧，高温气体的部分内能转化为驱动汽车行驶的机械能，但同时，另一部分内能被汽车排气管排出的废气带走，这部分内能就很难再被利用，即能量耗散。机械运动总伴随摩擦力，克服摩擦力产生内能，而这部分内部也不能再被利用做功。因此，物理过程中，一部分其它形式能转化为内能，而且不能再利用，都可称为能量耗散。2.能量退降：指自然界发生的各种变化中，能量的总值虽然保持不变，但是能量可被利用的价值却越来越小。例如，机械能可以完全转化为内能而不引起其他变化，但内能却不能完全转化为机械能而不引起其他变化。所以，从机械能转化为内能时能量退降，也称能量品质的退降。能量退降是自然界中的宏观过程方向性的体现，是热力学第二定律的必然结果。煤炭、石油、天然气等能源被利用时，由于能量退降，可被利用的价值减少，所以我们要节约能源。3.自然界的任何物理过程，比如，光能转化为电能，电能转化为机械能，都同时发生能量的耗散和退降。例3.下列哪个现象属于能量耗散()A.利用水流发电变成电能B.电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能C.电池的化学能转化为电能D.火炉把房子烤暖✏️巩固练习~A组~1．（多选）下列说法正确的是（）A．可以从单一热源吸收热量，使之全部用来做功B．热量不可能自发地从内能少的物体传到内能多的物体C．随着科技进步，通过对内燃机不断改进，可以使内燃机的效率达到100%D．1kg、0℃的冰的内能一定比1kg、0℃的水的内能少，但两者分子平均动能一样大2.（多选）关于热力学规律，下列说法正确的是()A．热力学第一定律和热力学第二定律从不同角度阐述了能量守恒定律B．一定质量的理想气体等温压缩，外界对气体做正功，内能一定增加C．从微观意义上讲，热力学第二定律是一个统计规律D．一定质量的理想气体放出热量，则分子的平均动能不一定减少3．关于能源与可持续发展，下列说法正确的是()A．篮球从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了B．大量使用天然气作燃料符合“低碳生活”理念C．随着科技的发展，永动机是可以制成的D．在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能4．(多选)下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是（）A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，内能不会自发地转化为机械能而动起来D．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%5.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到高温物体B．热量不可以从低温物体传到高温物体C．热量的传递过程不具有方向性D．在自发的条件下热量的传递过程具有方向性6．2022年4月16日，“太空出差三人组”终于回家了，天宫一号是中国第一个空间实验室，航天员在完全失重的情况下做实验，下列说法正确的有（）A．王亚平挤出的小水滴在天宫一号内漂浮，小水滴的运动是布朗运动B．完全失重的情况下，密封瓶里的理想气体对容器壁没有作用力C．密封瓶里的理想气体在等温变化的过程中，内能一定不变D．完全失重的情况下，热量不可能从低温物体传递到高温物体7．下列现象中，符合能量转化守恒定律但违反热力学第二定律的是（）A．电冰箱通电后能把箱内低温物体的热量传到箱外的高温物体B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C．人类开发了潮汐发电技术，所获得的电能是由海水的机械能转化来的D．一杯热茶自然放置，茶水会慢慢冷却8．下列说法中正确的是（）A．第一类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第一定律B．机械能全部转化为内能是不可能的C．从单一热源吸收的热量全部变成功而不产生其他影响是不可能的D．第二类永动机不可能制造成功的原因是能量不会凭空产生9.（多选）我国航天员漫步太空已成为现实。飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此将此设施专门做成了飞船的一个舱，叫“气闸舱”，其原理如图所示。两个相通的舱A、B间装有阀门K。指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡。若将此气体近似看成理想气体，则()A．气体体积膨胀，对外做功 B．气体分子势能减小，内能增加C．气体体积变大，温度不变 D．B中气体不可能自发地全部退回到A中10.（多选）下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有_______，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有_______。（填正确答案标号）A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内11．礼花喷射器原理如图、通过扣动气阀可释放压缩气罐内气体产生冲击，将纸管里填充的礼花彩条喷向高处，营造气氛。在喷出礼花彩条的过程中，罐内气体（）A．分子冲向纸管是分子做热运动 B．分子冲向纸管后能全部自发回到罐内C．通过做功方式改变自身的内能 D．分子冲向纸管过程中速率均变大12．国家速滑馆（又名“冰丝带”）是北京2022年冬奥会冰上运动的主场馆，为确保运动项目的顺利完成，需要对场馆内降温。若将场馆内的空气看成理想气体，已知降温前场馆内、外的温度均为，降温后场馆内温度为，该过程中场馆内气体压强不变。以下说法正确的是（）A．场馆内空气分子平均动能不变B．场馆内所有空气分子的分子动能都减小C．场馆内热量是由场馆内自发传递到场馆外的D．场馆内部单位时间内空气分子与冰面碰撞次数增多13．（多选）“绿水青山就是金山银山”，下述做法能改善空气质量的是()A．以煤等燃料作为主要生活燃料B．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源C．鼓励私人购买和使用普通汽车D．用纯电动汽车代替燃油汽车14.下列过程中可能发生的是()A.某种物质从高温热源吸收20kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响B.打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发跑进去，恢复原状C.利用一些手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高D.将两瓶不同液体混合，待扩散后它们又自发地完全分开~B组~15.(多选)用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。关于这一现象，正确的说法是()A.这一实验过程不违反热力学第二定律B.在实验过程中，热水一定降温，冷水一定升温C.在实验过程中，热水内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能D.在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能16.下列说法正确的是()A.对物体做功不可能使物体的温度升高B.一个由不导热的材料做成的容器，被不导热的隔板分成甲、乙两室，甲室中装有一定质量的温度为T的气体，乙室为真空，如图所示，提起隔板，让甲室中的气体进入乙室，若气体的内能只与温度有关，则提起隔板后当气体重新达到平衡时，其温度仍为TC.空调作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以空调的工作是不遵循热力学第二定律的D.从单一热源吸收热量，使之全部变成有用的机械能是不可能的17．（多选）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．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律D．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，无论用任何办法都不可能加以消除18．“二氧化碳跨临界直冷制冰”是北京冬奥会的“中国方案”，图中国家速滑馆5000m2的冰而全由它制成，冰面温差可控制在±0.5°C以内。其制冰过程可简化为图中的循环过程，其中横轴为温度T，纵轴为压强p；过程A→B：一定量的二氧化碳在压缩机的