物理人教版选修33学案第十章热力学定律4

4热力学第二定律[学习目标]1.通过自然界中客观过程的方向性，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.4.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[导学探究]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”？答案不能．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．[知识梳理]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．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．(√)(2)热量不会从低温物体传给高温物体．(×)(3)冰箱能自发地把热量从低温物体传给高温物体．(×)二、热力学第二定律的开尔文表述[导学探究]如图1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：图1(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)不是(2)不能[知识梳理]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．[即学即用]判断下列说法的正误．(1)机械能可以完全转化为内能．(√)(2)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．(×)(5)第二类永动机违背了热力学第二定律．(√)一、对热力学第二定律的理解在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不可能”“不产生其他影响”的涵义(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不需借助其他物体提供能量等．(2)关于“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，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除．(3)“不产生其他影响”的涵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．例1(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是()A．不可能从单一热源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，只有单一的热源，能将从单一热源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.但不是自发的或是产生了其他影响.针对训练1(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．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2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．针对训练2(多选)第二类永动机不可能制成是因为()A．违背了能量守恒定律B．违背了热力学第二定律C．机械能不能全部转变为内能D．内能不可能全部转化为机械能，而不产生其他影响答案BD1．(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，根据热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性．2．(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．在热机中，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而不产生其他影响．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．关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是()A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并最终达到绝对零度B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的C．第二类永动机遵从能量守恒定律，故能制成D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105J，同时空气向外界放出热量1.5×105J，则空气的内能增加了5×104J答案D4．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．一、选择题1．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；气体膨胀具有方向性，故B项错；扩散现象也有方向性，故D项错．2．我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来．其原因是()A．违背了能量守恒定律B．在任何条件下内能不可能转化成机械能，只有机械能才能转化成内能C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的D．以上说法均不正确答案C解析不同形式的能量可以相互转化，机械能可以转化为内能，在一定的条件下，内能也能转化为机械能，能量的转化都是通过做功来实现的．3．如图1中汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是()图1A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违反热力学第二定律B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律C．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律D．以上三种说法都不对答案C解析由于汽缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动的过程中，有足够时间进行热交换，所以汽缸内的气体温度也不变．要保持其内能不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律．此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能发生．4．关于热力学定律，下列说法正确的是()A．在一定条件下物体的温度可以降到0KB．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功C．吸收了热量的物体，其内能一定增加D．压缩气体总能使气体的温度升高答案B解析绝对零度只能无限趋近，永远无法达到，A错误；物体从单一热源吸收的热量可以全部用来对外做功，只不过会引起其他变化，B正确；内能的变化决定于做功和热传递两个方面，单纯吸收热量或者对物体做功，物体的内能都不一定增加，C、D错误．5．下列有关能量转化的说法中正确的是()A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他影响B．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能C．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行D．外界对物体做功，物体的内能必然增加答案A解析由热力学第二定律的开尔文表述可知A对；热机效率总低于100%，B错；满足能量守恒定律的过程未必能自发进行，任何过程一定遵循热力学第二定律，C错；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即内能不一定增加，D错．6．关于热力学定律和分子动理论，下列说法中正确的是()A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的C．在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大答案B解析由热力学第二定律可知，A错误，B正确；由分子间作用力与分子间距的关系可知，C项错误；温度升高时，物体中分子平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，即并不是每个分子的运动速率都增大，故D项错误．7．(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．可以从单一热源吸收热量，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，可以从单一热源吸收热量，使之全部变为功，但会产生其他影响，故C正确；热量只是不能自发的从低温物体传向高温物体，则D错误；一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，则E正确．8．(多选)图2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()图2A．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了热力学第一定律答案BC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递到高温物体，要想使热量从低温物体传递到高温物体必须借助于其他系统做功，选项A错误，选项B正确．9．下列说法正确的是()图3A．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3所示．提起隔板，让甲室中的气体进入乙室．若甲室中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．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作是不遵守热力学第二定律的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答案B解析对物体做功可使物体的内能增加，温度升高，如用打气筒打气时筒