选修3-3（高中物理旧教材同步讲义）第10章 4 热力学第二定律同步讲义

4热力学第二定律[学科素养与目标要求]物理观念：1.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律.2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质.3.了解什么是第二类永动机，知道为什么它不能制成．科学思维：能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题．一、热力学第二定律的克劳修斯表述1．热传导的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．2．热力学第二定律的克劳修斯表述：德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的方向性．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η：热机输出的机械功与燃料产生的热量的比值，用公式表示为η＝eq\f(W,Q).热机的效率不可能达到100%.2．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)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反能量守恒定律，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，热机要不断地把吸取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．1．判断下列说法的正误．(1)热量不会从低温物体传给高温物体．(×)(2)机械能可以完全转化为内能，而内能不可能完全转化为机械能．(×)(3)可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功．(√)(4)第二类永动机违背了能量守恒定律．(×)2．热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明热传递过程具有________．冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这_______(填“违反”或“不违反”)热力学第二定律．答案方向性不违反一、对热力学第二定律的两种理解(1)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”？(2)如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题：①制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？②热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？答案(1)不能．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，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能．(2)①不是②不能1．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水平面上运动，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终了时，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．特别提醒(1)热力学第二定律的两种表述是等价的．(2)热力学第二定律的实质：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．例1(多选)(2018·临沂市高二下期末)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．在一定条件下，热量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答案BD解析一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散．在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体传向高温物体，故本题答案为B、D.例2(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是()A．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化B．没有冷凝器，只有单一的热库，能将从单一热库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C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化D．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化答案AD解析热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A选项正确，B选项错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故C选项错误，D选项正确．1．一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定均能实现．2．热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的．例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响．二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较1．两个定律比较热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中，总的能量保持不变．热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程都具有不可逆性．2．两类永动机的比较第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去)．第二类永动机：将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)．3．第一类永动机和第二类永动机都不可能制成第一类永动机的设想违背了能量守恒定律；第二类永动机的设想不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律．例3关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是()A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾C．两条定律都是有关能量转化的规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别D．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律答案B解析热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和其他形式的能发生转化的方向性，两者并不矛盾，选项A、C、D错误，B正确．例4(多选)下列说法正确的是()A．第一类永动机不可能制成，因为它违反了能量守恒定律B．第二类永动机不可能制成，因为它违反了能量守恒定律C．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的D．热力学第二定律的两种表述是等价的答案ACD解析第一类永动机工作时，不消耗任何能量却能够源源不断地对外输出能量，这显然违背了能量守恒定律，故A项正确；第二类永动机不可能制成是因为自然界的一切宏观自发过程都具有方向性，它不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，故B项不正确；热力学第二定律有几种不同的表述形式，但它们是等价的，它与热力学第一定律是相互独立的，故C、D两项正确．1．(宏观过程的方向性)关于自然过程中的方向性，下列说法正确的是()A．摩擦生热的过程是可逆的B．凡是符合能量守恒的过程一般都是可逆的C．实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”D．空调机既能制冷又能制热，说明热传递不存在方向性答案C解析摩擦生热的过程是不可逆的，故A错误．能量守恒具有单向性，一般是不可逆，故B错误；实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”，故C正确；空调机既能制冷又能制热，并不能说明热传递不存在方向性，而是在反向时，要引起其他方面的变化，故D错误．2．(对热力学第二定律的理解)(多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是()A．电能不可能全部变为内能B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能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答案BCD解析根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电能可全部变为内能(由焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电能，而不产生其他影响．机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能．在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体．3．(对热力学第二定律的理解)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是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体D．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的答案D解析机械能可以全部转化为内能，故A错；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B错；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C错；从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D项对．4．(对热力学第一定律和第二定律的理解)(多选)下列叙述正确的是()A．做功和热传递在改变物体内能的效果上是一样的，但是从能量转化的方面看二者是有本质区别的B．因为第一类永动机和第二类永动机都违反了能量守恒定律，所以都不能制成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D．热力学第二定律阐述了一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性E．电冰箱和空调的出现，用事实说明了热量可以自发地从低温物体传到高温物体答案ACD解析做功和热传递在改变内能的效果上是等效的，但做功是能量的转化，热传递是能量的转移，A正确；第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，内能与机械能之间的转化具有方向性才是第二类永动机不可能制成的原因，B错误；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，C正确；热力学第二定律说明一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，D正确；电冰箱和空调中热量可以从低温物体传到高温物体，消耗了电能，并非自发进行，E错误．考点一宏观过程的方向性1．(多选)下列哪个过程具有方向性()A．热传导过程B．机械能向内能的转化过程C．气体的扩散过程D．气体向真空中的膨胀答案ABCD解析这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，它们都具有方向性．2．(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．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部转化为机械能D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的答案ACD解析如果是自发地进行，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，A正确，B错误；机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功且最终停止运动时，机械能全部转化为内能)，在一定条件下，内能也可以全部转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全部用来做功，故C正确；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性的，D正确．考点二对热力学第二定律的理解3．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，其内气体自发逸出后又自发跑进去，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．将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开答案C解析根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的影响，但通过一些物理手段是可以实现的，故C项正确；内能转化为机械能不可能自发地进行，要使内能全部转化为机械能必定要引起其他变化，故A项错误；气体膨胀具有方向性，故B项错误；扩散现象也有方向性，故D项错误．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，墨水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，不会将内能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%答案BCD解析热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，A不属于热现象，A不符合题意；由热力学第二定律可知B、C、D符合题意．5．(多选)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答案AC解析能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A对；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错；在热传递的过程中，能量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C对，D错．6．(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1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()图1A．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答案AB解析温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，转化效率低于100%，不违反热力学第二定律，热水温度降低，冷水温度升高，故选项A、B正确，C、D错误．考点三综合应用7．(多选)(2019·湛江市调研)下列说法正确的是()A．气体的内能是所有分子热运动的动能和分子间的势能之和B．一定量的理想气体在等温膨胀过程中，一定吸收热量C．功可以全部转化为热，但热量不能全部转化为功D．第一类永动机研制失败的原因是违背了能量守恒定律E．凡是符合能量守恒定律的宏观过程一定自发地发生而不引起其他变化答案ABD解析气体的内能是气体内所有分子热运动的动能和分子间势能之和，故A正确；一定量的理想气体在等温膨胀过程中，气体对外做功，而内能不变，根据热力学第一定律，气体一定从外界吸收热量，故B正确；功可以全部转化为热，根据热力学第二定律可知，在外界的影响下热量也可以全部转化为功，故C错误；第一类永动机研制失败的原因是违背了能量守恒定律，故D正确；满足能量守恒定律的宏观过程不一定可以自发进行，比如热量就不能自发地从低温物体传到高温物体，故E错误．8．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是()A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功D．不可能使热量从低温物体传向高温物体E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程答案ACE解析由ΔU＝W＋Q可知做功和热传递是改变内能的两种途径，它们具有等效性，故A正确，B错误；由热力学第二定律可知，可以从单一热库吸收热量，使之全部变为功，但会产生其他影响，故C正确；热量只是不能自发地从低温物体传向高温物体，故D错误；一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，故E正确．9．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是()A．气体吸热后温度一定升高B．对气体做功可以改变其内能C．理想气体等压膨胀过程一定放热D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡答案BDE解析气体内能的改变ΔU＝Q＋W，故对气体做功可改变气体内能，B选项正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W的情况，故不能确定气体温度变化，A选项错误；理想气体等压膨胀，W<0，由理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C，p不变，V增大，气体温度升高，内能增大，ΔU>0，由ΔU＝Q＋W，知Q>0，气体一定吸热，C选项错误；由热力学第二定律，D选项正确；根据热平衡可知，E选项正确．10．(2019·格尔木市调研)根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是()A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从