人教版高中物理举一反三-选择性必修三专题3.4 热力学第二定律（解析版）

专题3.4热力学第二定律【人教版】TOC\o"1-3"\t"正文,1"\h【题型1热力学第二定律的理解】 【题型2热力学第二定律的应用】 【题型3能源有限】 【题型4综合问题】 【题型5第二类永动机】 【题型6联系实际】 【题型1热力学第二定律的理解】【例1】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.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：热力学第一定律和热力学第二定律并不矛盾;对于机械能和内能的转化所具有的方向性也是存在的，故选项B正确。【变式1-1】下列过程中，可能实现的是（）A．水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能B．内燃机汽缸内气体的内能全部转化为机械能C．在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高D．静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来解析：根据能量转化和转移的方向性可知，物体温度下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能，故AB错误；在粗糙水平面上运动的物体，它的动能会转化为内能，使物体温度升高，故C正确；静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能在没有特定的情况下会向周围释放，并不会使物体运动起来，故D错误。答案：C【变式1-2】下列宏观过程不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%解析:：大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中，这种现象与温度无关，不是热现象，不能用热力学第二定律解释，A符合题意；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，这种现象与温度有关，温度越高，分子运动越激烈，扩散越快，根据热力学第二定律，墨水和清水不会自动分开，B不符合题意；冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，物体的内能减少，根据热力学第二定律，内能不会自发地转化为机械能而动起来，C不符合题意；随着节能减排措施的不断完善，根据热力学第二定律，最终也不会使汽车热机的效率达到100%，D不符合题意。答案：A【变式1-3】地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1°C，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是()A．内能不能转化成机械能B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律D．上述三种原因都不正确答案C解析本题考查热力学第一定律和热力学第二定律的应用，内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：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，C正确．【题型2热力学第二定律的应用】【例2】[多选]下列说法中正确的是()A．相互间达到热平衡的两物体的内能一定相等B．民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入火罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上。其原因是火罐内的气体体积不变时，温度降低，压强减小C．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热传递可以逆向D．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的E．随着科学技术的发展，人类终会制造出效率为100%的热机解析：选BCD相互间达到热平衡的两物体的温度相同，内能不一定相等，故A错误；火罐内气体压强小于大气压强，所以火罐能“吸”在皮肤上，故B正确；根据热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，故C正确；根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，故D正确；根据热力学第二定律可知，人类不可能制造出效率为100%的热机，故E错误。【变式2-1】（多选）如图所示，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．冷凝器向环境散失的热量一定大于蒸发器从冰箱内吸收的热量B．该过程实现了热量从低温物体向高温物体传递C．制冷剂在蒸发器中的状态可以看成理想气体D．制冷剂在通过冷凝器的过程中分子势能和分子动能都降低解析：根据热力学第一定律，（从低温物体吸收的热量）+W（压缩机对系统做功）（向高温物体释放的热量），A正确；这一过程不是自发完成的，蒸发器和冷凝器两处的热交换方向都是从高温物体向低温物体，整个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，B正确；制冷剂在蒸发器中虽然是气体状态，但是不满足远离液化的状态，不能看成理想气体，C错误；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，D正确。答案：ABD【变式2-2】(多选)下列现象中能够发生的是()A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体答案CD【变式2-3】[多选]下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是()A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律B．能量耗散过程中能量不守恒C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性E．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功[解析]第一类永动机不消耗能量却源源不断对外做功，违背了能量守恒定律，所以不可能制成，A正确；能量耗散过程中能量仍守恒，B错误；电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是压缩机做功的结果，不违背热力学第二定律，C错误；能量耗散说明宏观热现象的发生具有方向性，D正确；物体从单一热源吸收热量可以全部用于做功，但一定引起外界变化，E正确。[答案]ADE【题型3能源有限】【例3】下面关于熵的说法错误的是()A．熵是物体内分子运动无序程度的量度B．在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向减少的方向进行C．热力学第二定律的微观实质是熵是增加的D．熵值越大，代表系统分子运动越无序解析：熵是分子运动无序程度的量度，熵越大，分子运动无序程度越大，故AD正确；孤立系统中发生的任何实际过程，其能量的总值保持不变，而其熵值恒增，故B错误，C正确。本题选错误的答案：B【变式3-1】2022年7月8日消息，世界能源格局发生重要变化，能源投资新趋势正在形成。从清洁能源总体投资分布看，预计今年投资将占全球能源投资增长额的四分之三。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解析：篮球从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能转化为了篮球和周围其它物体的内能，或转化为其它形式的能，能量不会消失，A错误；因天然气主要成分是甲烷。完全燃烧，其燃烧时生成二氧化碳和水；不完全燃烧生成一氧化碳和水，因此大量使用天然气作燃料不符合“低碳生活”理念，B错误；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器—永动机，是违背了能量的转化和守恒定律，永动机是不可以制成的，C错误；由热力学第二定律可知，任何机械都有效率的问题，因此燃气的内能不可能全部转变为电能，D正确。答案：D【变式3-2】（多选）下列说法中正确的是()A．相互间达到热平衡的两物体的内能一定相等B．民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入火罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上。其原因是火罐内的气体体积不变时，温度降低，压强减小C．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热传递可以逆向D．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的E.随着科学技术的发展，人类终会制造出效率为100%的热机解析：相互间达到热平衡的两物体的温度相同，内能不一定相等，故A错误；火罐内气体压强小于大气压强，所以火罐能“吸”在皮肤上，故B正确；根据热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，在有外界做功的条件热传递可以逆向，故C正确；根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，故D正确；根据热力学第二定律可知，人类不可能制造出效率为100%的热机，故E错误。答案：BCD【变式3-3】(多选)根据热力学定律，下列说法正确的是()A．电冰箱的工作表明，热量可以从低温物体向高温物体传递B．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C．科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机D．即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能E．对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”【解析】热量可以在外界做功的情况下从低温物体向高温物体传递，但不能自发进行，选项A正确；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，是因为消耗电能产生热量，选项B正确；不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，故选项C错误；根据热力学第二定律，即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能，故选项D正确；对能源的过度消耗将形成“能源危机”，但自然界的总能量守恒，故选项E错误．故选ABD。【答案】ABD【题型4综合问题】【例4】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________。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答案BC解析汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，显然C选项遵循热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；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，既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律，综上所述，第一个空选B，第二个空选C。【变式4-1】(多选)下列说法正确的是()A．一定质量的理想气体放出热量，则分子平均动能一定减少B．热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律C．根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%D．一定质量的理想气体膨胀时对外界做了功，它的内能可能减少解析：选BCD根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，一定质量的理想气体放出热量，Q为负值，但若外界同时对气体做功，W为正，则其内能不一定减少，分子平均动能不一定减少，A错误；一定质量的理想气体膨胀时对外界做功，W为负值，当Q＜|－W|时内能减小，当Q＞|－W|时内能增大，当Q＝|－W|时内能不变，故它的内能可能减少，D正确；热力学第二定律就是反映宏观自然过程的方向性的定律，B正确；由热力学第二定律的开尔文表述可知热机的效率不可能达到100%，C正确。【变式4-2】(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.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体D.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BCD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，选项B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的变化，选项A错误；由热力学第二定律，选项C正确；根据热平衡原理，选项D正确。【变式4-3】[多选]下列说法正确的是()A．当分子间距离为平衡距离时分子势能最大B．饱和汽压随温度的升高而减小C．对于一定质量的理想气体，当分子热运动变剧烈时，压强可以不变D．熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行E．由于液面表面分子间距离大于液体内部分子间的距离，所以液体表面具有收缩的趋势解析：选CDE当分子间距离为平衡距离时分子势能最小，故A错误；饱和汽压随温度的升高而增大，故B错误；当分子的热运动变剧烈时，温度升高，若体积同时增大，压强可以不变，故C正确；熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行，故D正确；由于液体表面分子间距离大于液体内部分子间的距离，液面分子间表现为引力，故液体表面有收缩趋势，故E正确。【题型5第二类永动机】【例5】关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是（）A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的。答案：D解析：第二类永动机不违反能量守恒定律，违反热力学第二定律，故A错误；第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律，故B错误；改变内能的方式有做功和热传递，二者在内能的改变上是一样的，若对外做功的同时吸收热量，内能可能不变，故C错误；由热力学第二定律可知热量从低温物体传到高温物体是可能的，故D正确。【变式5-1】如图所示，绝缘支座上，C球带正电，枕形导体A、B靠在一起，现将A、B分开，分别接触一个小电机的两个接线柱，如果小电动机非常灵敏，它便会开始转动。当电动机还没有停止时，又立刻把A、B在C附近碰一下分开，再和电动机两接线柱接触，如此下去，小电动机便能不停地转动。则下列说法正确的是()A．A、B分开后A左端带正电，B右端带负电B．A、B分开前，AB是一个等势体C．上述过程违背了能量守恒定律D．上述过程说明永动机可以制成【解析】由静电感应可知，AB分开前，由于C球带正电，所以枕形导体A带负电，枕形导体B带正电，由于C球存在，所以AB分开后，A左端带负电，B右端带正电，分开前AB处于静电平衡状态，所以AB是一个等势体，故A错误，B正确;上述过程在把AB分开的过程中要克服AB之间的静电力做功，把机械能转化为电能，然后再把电能转化为机械能，此过程是能量不断转化的过程，不违背能量守恒定律，但需要消耗机械能，永动机不可能制成，故C、D错误。【答案】B【变式5-2】下列说法中正确的是（）A．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B．效率为的热机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律C．不可能从单一热源吸收热量使之完全变成功，而不产生其他影响D．第二类永动机不可能成功的原因是违反了能量守恒定律解析：根据热力学第二定律可知，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在以消耗其它能量为代价的条件下，热量也可以从低温物体传到高温物体，故A错误；效率为的热机不可能制成，没有违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故B错误；根据热力学第二定律可知，不可能从单一热源吸收热量使之完全变成功，而不产生其他影响，故C正确；第二类永动机不可能成功的原因是违反了热力学第二定律，并不是违反了能量守恒定律，故D错误。答案：C【变式5-3】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解析：第一类永动机不可能制成的原因是能量守恒定律，A错误；机械能提供摩擦做功，可以全部转化为内能，B错误；根据热力学第二定律可知，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，C正确；第二类永动机不可能制造成功的原因是其违背热力学第二定律，并不违背能量守恒定律，D错误。答案：C【题型6联系实际】【例6】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解析：扣动气阀释放压缩气罐内气体产生冲击，气体分子冲向纸管不是分子做热运动的结果，而是气流的定向移动引起的，且分子冲向纸管过程中速率并未均变大，故AD错误；根据热力学第二定律可知，分子冲向纸管后不可能全部自发回到罐内，故B错误；在喷出礼花彩条的过程中，罐内的压缩空气对礼花彩条做功，空气的内能转化为礼花彩条的机械能，故C正确。答案：C【变式6-1】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答案：B解析：热力学第一定律适用于所有的热学过程，选项C正确。选项D错误。热量不能自发地从低温物体传到高温物体，要想使热量从低温物体传到高温物体，必须