第三章　4　热力学第二定律

DISANZHANG第三章4热力学第二定律1.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(重点)。2.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(难点)。3.理解能量耗散，知道能源是有限的。

学习目标一、热力学第二定律二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较课时对点练三、能源是有限的

内容索引热力学第二定律一一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看，

扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？这说明了什么？答案

不能，说明扩散有方向性。1.热现象的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是

的，即与热现象有关的宏观自然过程有

性。2.热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能

地从

温物体传到

温物体。阐述的是传热的

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

变成工作物质的

；第二个阶段是工作物质对外

，把自己的内能变成

。梳理与总结不可逆方向自发低方向高化学能内能做功机械能②热机用于做功的热量一定

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__

，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

(选填“等价”或“不等价”)的。5.热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的

。梳理与总结小于<完全变成功等价方向性1.传热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”？思考与讨论答案

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。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：思考与讨论答案不是，热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。(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？思考与讨论答案不能，热机工作时只能将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热库。(2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用于做功？(1)只要满足能量守恒定律的物理过程都能实现。(

)(2)由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。(

)(3)不可能从单一热库吸收热量，使之全部变成功。(

)×××

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，使低温物体的温度更低，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例1√根据热力学第二定律，热量自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误；气体膨胀具有方向性，不能自发逸出容器又自发跑进去，无法恢复原状，B错误；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，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可以实现的，C正确；扩散现象有方向性，因此液体混合后不能自发地各自分开，D错误。

(多选)(2023·开远市第一中学高二期末)地球上有很多的海水，其总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1℃，将要放出5.8×1023J的热量。有人曾设想利用海水放出的热量，将其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，关于其原因，下列说法正确的是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械不满足热力学第二

定律D.机械能可全部转化为内能，内能不可能全部转化为机械能，同时不引

起其他变化例2√√内能可以转化成机械能，如热机，故A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，也可以说符合能量守恒定律，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并把它全部用来做功，而不引起其他变化，故C、D正确。总结提升1.一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循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，但都不是自发地或都产生了其他影响。返回热力学第一定律和热力学第二定律的比较二1.热力学两定律的比较

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宏观自然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

(2020·全国卷Ⅱ)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例3BCA项符合热力学第一、第二定律。冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或温度都不变，B项描述违背了热力学第一定律。C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第二定律。返回能源是有限的三1.能源：具有

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守恒，但能量的品质下降了，___

减少了。高品质能源如图所示是两幅宣传节约能源的图片。请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？思考与讨论答案

能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。

(多选)关于能量和能量耗散，下列说法正确的是A.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性B.能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的C.大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源D.能量之间可以相互转化，故能源循环利用很方便例4√√√能量守恒定律是普遍规律，能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发过程具有方向性，耗散过程中能量也是守恒的，故A正确；能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的，如煤炭和石油燃烧会造成空气污染和温室效应，故B正确；常规能源的利用比新能源的利用对环境影响大，C正确；能量之间可以相互转化，但是这种转化有方向性，耗散的能量很难再收集起来重新利用，故D错误。返回课时对点练四考点一对热力学第二定律的理解1.(多选)下列哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律A.常温下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而不引起其他变化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123456789101112基础对点练√√123456789101112选项A、B都违背了热力学第二定律，都不能发生。选项C中系统的势能减少了，选项D中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，均能发生。2.(多选)(2024·莆田市高二月考)下列说法中正确的是A.一切涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性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.由自然过程的方向性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123456789101112√√123456789101112自然界中一切涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性，故A正确；一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，所以不违背能量守恒定律的物理过程不一定都是可以实现的，故B错误；根据热力学第二定律，一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，所以可以由自然过程的方向性判断物理过程能否自发进行，故C正确；根据热力学第二定律，一部分物理过程可以自发进行，故D错误。3.(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.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D.如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到100%123456789101112√√123456789101112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；传热过程也具有方向性，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)，C选项正确；热机效率无法达到100%，D选项错误。4.(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.电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律D.电冰箱的工作原理违背热力学第二定律123456789101112√√123456789101112根据热力学第二定律，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借助于其他系统做功，故A错误，B正确；电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律，故C正确，D错误。5.(多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的是A.一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减小B.气体向真空的自由膨胀是不可逆的C.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律D.热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”123456789101112√√123456789101112一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，Q=0，W<0，根据ΔU=W+Q可知，气体的内能减小，故A正确；热力学第二定律表明：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确；第一类永动机不可能制成是因为违背了能量守恒定律，故C错误；热力学第二定律可描述为“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”，故D错误。考点二能源与能量耗散6.关于能量和能源，下列说法中正确的是A.能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加B.能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少C.能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要D.能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节

约能源123456789101112√123456789101112能量在转化和转移过程中，总量是守恒的，但品质降低了，且现有可利用的能源有限，故我们要注意节约能源，选项D正确。7.(多选)下列关于能源的说法中正确的是A.能源是取之不尽，用之不竭的B.能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等C.大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源D.核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大123456789101112√√123456789101112能量在数量上虽然守恒，但其耗散后无法重新收集利用，所以能源是有限的，特别是常规能源，A错误，B正确；常规能源的利用对环境影响比新能源、核能大，C正确，D错误。8.(多选)(2023·哈尔滨市期末)下列有关热力学第二定律的说法正确的是A.气体自发地扩散运动总是向着更为无序的方向进行，是不可逆过程B.能源危机说明自然界的总能量在不断减少C.水的温度自动下降时，释放的内能可以自发地全部转化为机械能D.物体从高温热库吸收热量后，内能可能变少123456789101112能力综合练√√123456789101112气体自发地扩散运动总是向着无序的方向进行，是不可逆的过程，故A正确；根据能量守恒定律可知自然界的能量总量不会减少，故B错误；水的温度自动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C错误；改变物体内能方式有传热和做功，所以当物体吸收热量后对外做功的情况下内能可能变少，故D正确。9.热力学第二定律常见的表述方式有两种，其一：不可能使热量自发地由低温物体传递到高温物体；其二：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。第一种表述方式可以用如图所示制冷机工作示意图来表示，根据你对第二种表述的理解，如果也用类似的示意图来表示，则下列示意图中正确的是123456789101112√123456789101112对于第二种表述方式，热机工作时，从高温热库吸收热量，只有一部分用来对外做功，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温热库，故选项B正确，A、C、D错误。10.如图所示，水平横置汽缸内封闭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，活塞与汽缸壁之间无摩擦，但不漏气。现将活塞杆与外界连接并缓慢地向右移动，这样气体将膨胀并通过杆对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是A.气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律B.气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，

所以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，但此过程不违反热力学第二定律D.以上三种说法都不对123456789101112√123456789101112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活塞缓慢地向右移动过程中，气体有足够时间与外界进行传热，汽缸内的气体温度不变，即内能不变。该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功并且内能不变，但此过程并不违反热力学第二定律，这是因为此过程需要外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能自发进行，故选项C正确。11.(多选)如图是空气能热水器的工作原理示意图，它主要由储水箱、毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器等部件组成。制冷剂在毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器之间循环过程与我们所熟悉的电冰箱的制冷循环过程相同，其工作过程如下：①液态制冷剂经过一段很细的毛细管缓慢地进入蒸发器，在蒸发器中迅速汽化，并从低温的空气中吸收热量。②制冷剂汽化生成的蒸汽