3-4热力学第二定律(人教2019选择性必修第三册-)(解析版)

第三章热力学定律第4节热力学第二定律【核心素养目标】物理观念通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律科学思维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.科学探究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.认识能量耗散，知道能源是有限的．科学态度与责任通过热力学第二定律知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。知识点一对热力学第二定律的理解【情境导入】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”？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：(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．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律．2．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．阐述的是传热的方向性．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热机用于做功的热量一定小于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)4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价(选填“等价”或“不等价”)的．【重难诠释】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地面上运动，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层温度不同来发电．(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，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．【典例精析】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%【答案】AC【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；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项错误．【规律方法】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，但不是自发地或是产生了其他影响．知识点二能源是有限的【情境导入】1．流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用．可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？答案内能．2．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？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．【知识梳理】1．能源：具有高品质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，能源减少了．【重难诠释】1．能量耗散自然界中集中度较高(有序度较高)的能量，如机械能、电能、化学能，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散也是无序度更大的能量，没有办法把这些分散的无序度更大的内能重新变成有序度较高的能量加以利用，这样的现象叫作能量耗散。各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的，能量耗散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。2．能量品质的降低能量耗散虽然不会使能量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，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内能。内能较之机械能、电能、光能、核能等是一种低品质能量。【典例精析】例2．关于能量耗散，下列说法不正确的是()A．能量耗散导致能量的品质降低B．能量耗散是指分散在环境中的内能很难被人类再回收利用C．能量耗散使能量总量减少，违背了能量守恒定律D．各种形式的能量在一定条件下向内能的转化，是能够全额发生的【答案】C【解析】能量耗散是能量在转化过程中有一部分以内能的形式发散到周围环境中，使得能量品质降低，且耗散在环境中的内能很难被人类再利用，但能量耗散遵守能量守恒定律，另外，各种形式的能量在一定条件下向内能转化是能够全额发生的，故A、B、D正确，C错误。知识点三热力学第一定律和热力学第二定律的比较【重难诠释】1．两个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物理过程、化学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【典例精析】例3．(多选)对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是()A．一定质量的气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收120J热量，则它的内能增加20JB．物体从外界吸收热量，其内能一定增加，物体对外界做功，其内能一定减少C．第二类永动机违背了热力学第二定律，没有违背热力学第一定律D．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在传热中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体【答案】AC【解析】根据热力学第一定律知，ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，说明内能增加了20J，故A正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知ΔU>0，内能增加，ΔU<0，内能减少，ΔU的大小由W、Q共同决定，说明物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，故B错误；第二类永动机没有违背热力学第一定律，不能制成是因为它违背了热力学第二定律，故C正确；通过做功的方式可以使热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱制冷时热量从低温物体传递给高温物体，故D错误．针对训练一、单选题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】A．根据热力学第二定律，内能自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误；B．气体膨胀具有方向性，不能自发溢出又自发溢进去，使其恢复原状，B错误；C．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；D．扩散现象有方向性，因此不能自发地各自分开，D错误。故选C。2．下列说法正确的是（）A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功B．热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化C．热机的效率不可能大于1，但可能等于1D．热机的效率必定小于1【答案】D【解析】A．开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他变化，比如气体等温膨胀，气体内能完全转化为功，但气体体积增大了，A错误；B．开尔文表述指出，热机不可能只有单一热库，但未必就是两个热库，可以具有两个以上热库，B错误；CD．由η=可知，只要Q2≠0就有η≠1如果Q2=0，则低温热库不存在，违背了开尔文表述，C错误，D正确。故选D。3．关于能量的转化与守恒，下列说法中正确的是（）A．摩擦生热的过程是不可逆的B．所有能量守恒的过程都是可逆的C．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性D．由于能的转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机【答案】A【解析】A．摩擦过程会自发地产生热量，但热量不能自发地产生摩擦，所以摩擦生热的过程是不可逆的，A正确；B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B错误；C．热传递存在方向性的含义是指热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，而不能自发地从低温物体传递到高温物体，但若有其他影响也可以将热量从低温物体传递到高温物体，空调机制冷时必须通过压缩机做功才能实现热量从低温物体传递到高温物体，因此热传递仍然存在方向性，C错误；D．能量的转化过程尽管符合能量守恒定律，但能量在利用的过程中产生能量耗散，所以会发生能源危机，D错误。故选A。4．对下列过程的判断中不正确的是（）A．电能可以全部变为内能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】C【解析】A．电流通过电路时，电能可以全部变为内能，A正确；B．根据热力学第二定律，可知，在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能，B正确；C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能，热机的效率不可能达到100%，C错误；D．根据热力学第二定律，知热量不可能自发地从低温物体传递给高温度物体，D正确。故选C。5．下列说法中正确的是（）A．电热器消耗的电能可以全部变成内能B．在火力发电中，水蒸气的内能可以全部转化为电能C．在手机中，电池的电能可以全部转化为空气振动的机械能D．可以制造一种传热物体，能使热量自发地从物体的低温端传给高温端【答案】A【解析】AB．根据热力学第二定律，电热器消耗的电能可以全部变成内能，但内能不能全部转化为电能，B错误A正确；C．电池的电能转化为空气振动的机械能的同时伴随着放热过程，不会全部转化为空气振动的机械能，C错误；D．根据热力学第二定律，不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，D错误。故选A。6．下列说法中正确的是（）A．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都不具有方向性B．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性C．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D．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行【答案】B【解析】AB．根据热力学第二定律，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。故A错误，B正确；C．热力学第二定律有不同的表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力学过程中熵的增量总是大于零，故C错；D．满足能量守恒定律不满足热力学第二定律的物理过程也不能自发进行，故D错误。故选B。7．“绿色、环保、低碳”是当今世界的关键词，“低碳”要求我们节约及高效利用能源。关于能源与能量，下列说法正确的是（）A．因为能量守恒，所以不要节约能源B．自然界中石油、煤炭等能源可供人类长久使用C．人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源D．人类不断地开发和利用新的能源，所以能量可以被创造【答案】C【解析】A．能量守恒告诉我们，能量是不会减少的，煤炭、石油、天然气等化石能源使用后，化学能转化为内能耗散了。虽然总能量没有减小，但是可以利用的品质降低了，故依然要节约能源，故A错误；B．自然界中石油、煤炭等能源是有限的，故会不断减少，故B错误；C．新能源是可以循环利用的，故人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源，故C正确；D．人类不断地开发和利用新的能源，如风能、太阳能，本质上都来源于太阳，符合能量守恒定律，故D错误。故选C。8．如图，某厂家声称所生产的空气能热水器能将热量从空气吸收到储水箱下列说法中正确的是A．热量可以自发地从大气传递到储水箱内B．空气能热水器的工作原理违反了能量守恒定律C．空气能热水器的工作原理违反了热力学第二定律D．空气能热水器能够不断地把空气中的热量传到水箱内，但必须消耗电能【答案】D【分析】通过产生原理分析，明确其是否违反能量守恒及热力学第二定律，根据热力学第二定律进行分析即可；【解析】该热水器将空气中的能量转移到热水中的能量，符合能量守恒定律，但是热量不可能自发地从低温物体转移到高温物体，实质上在产生热水的过程中，必须消耗电能才能实现，因此也符合热力学第二定律．A．热量可以自发地从大气传递到储水箱内，与结论不相符，选项A错误；B．空气能热水器的工作原理违反了能量守恒定律，与结论不相符，选项B错误；C．空气能热水器的工作原理违反了热力学第二定律，与结论不相符，选项C错误；D．空气能热水器能够不断地把空气中的热量传到水箱内，但必须消耗电能，与结论相符，选项D正确；故选D.【点睛】要注意理解热力学第二定律的内容，热量从低温向高温并不是不能实现，而是引起了其他方面的变化．二、多选题9．下面关于熵的说法正确的是A．熵是物体内分子运动无序程度的量度B．对孤立系统而言，一个自发的过程中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：熵总是增加的D．熵值越大，表明系统内分子运动越无序【答案】ACD【解析】A、熵是物体内分子运动无序程度的量度，同种物质气态的熵大于液体和固体的，A正确；B、在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向增加的方向进行，B错误；C、热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，C正确；D、熵值越大，代表系统分子运动越无序，D正确．10．玻璃的出现和使用在人类生活里已有四千多年的历史，它是一种非晶体。下列关于玻璃的说法正确的有（）A．没有固定的熔点B．天然具有规则的几何形状C．沿不同方向的导热性能相同D．分子在空间上周期性排列【答案】AC【解析】根据非晶体的特点可知非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。它没有一定规则的外形。它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。它没有固定的熔点。故选AC。11．下列说法中正确的是A．第二类永动机无法制成是因为它违背了热力学第一定律B．教室内看到透过窗子的“阳光柱”里粉尘颗粒杂乱无章的运动，这种运动是布朗运动C．小草上的露珠呈球形的主要原因是液体表面张力的作用D．热量能从高温物体向低温物体传递，也能由低温物体传给高温物体【答案】CD【分析】第二类永动机无法制成是因为它违背了热力学第二定律；布朗运动是由于悬浮在液体中的固体小颗粒在液体分子无规则运动时撞击的不平衡引起的；小草上的露珠呈球形的主要原因是液体表面张力的作用；热量能从高温物体向低温物体传递，也能由低温物体传给高温物体；【解析】A．第二类永动机无法制成是因为它违背了热力学第二定律，故A错误；B．布朗运动是由于悬浮在液体中的固体小颗粒在液体分子无规则运动时撞击的不平衡引起的，教室内看到透过窗子的“阳光柱”里粉尘颗粒杂乱无章的运动是由于气流的作用引起的，故这种运动不是布朗运动，故B错误；C．液体表面张力有使表面积收缩的作用，即总是想使表面积减小，而球是体积相同的形状中表面积最小的，故露珠呈球形，C正确；D．根据热力学第二定律热量不能自发的从低温传向高温，但在一定条件下可以从低温传向高温，比如空调，故D正确．故选CD.【点睛】本题全面考查了选修3-3中的基础知识，这些知识大都需要平时的记忆和积累，在平时注意加强记忆和练习，提高知识的应用能力．12．根据热力学第二定律，下列判断正确的是A．热机中，燃气内能不可能全部转化为机械能B．一个物体的机械能不可能全部转化为内能C．在火力发电机中，燃气的内能可以全部转化为电能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】AD【分析】本题考查热力学第二定律的内容：一种表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响；另一种表述是：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，第二定律说明热的传导具有方向性；【解析】A、无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”，故A正确，C错误；B、根据能量转化的方向性可知，一个物体的机械能可能全部转化为内能，故B错误；D、在一定条件下，热能够从低温物体传递到高温物体，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体，故D正确．【点睛】只有熟练掌握热力学第二定律的内容才能顺利解决本题，故一定要注意基本概念的积累．13．下列说法正确的是A．汽缸内一定质量的理想气体做等温膨胀时要放热B．对绝热容器内的气体进行压缩，气体内能增大C．任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少D．空调制冷时，热量自发地从低温物体传递给高温物体【答案】BC【分析】根据内能的概念分析气体膨胀时内能如何变化；热力学第二定律的内容：一种表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响．另一种表述是：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，第二定律说明热的传导具有方向性；【解析】A、气体等温膨胀时，内能不变，因体积增大，对外做功，根据热力学第一定律△U=W+Q得气体吸收热量，故A错误；B、对绝热容器内的气体压缩时，外界对气体做功，内能增大，故B正确；C、由热力学第二定律可知，任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少，故C正确；