2024-2025学年高中物理第十章热力学定律第4节热力学第二定律练习含解析新人教版选修3-3

PAGE9-第4节热力学其次定律1．了解热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性，了解什么是热力学其次定律。2．了解热力学其次定律的两种表述，以及两种表述的物理实质。3．了解什么是其次类永动机，知道其次类永动机不能制成的缘由。4．能运用热力学其次定律说明自然界中的能量转化、转移及宏观自然过程的方向性问题。一、热力学其次定律的两种表述1．热力学其次定律的克劳修斯表述(1)热力学其次定律(概念)：反映eq\o(□,\s\up3(01))宏观自然过程的方向性的定律。(2)克劳修斯表述：热量不能自发地从eq\o(□,\s\up3(02))低温物体传到eq\o(□,\s\up3(03))高温物体。即热传导的过程具有eq\o(□,\s\up3(04))方向性。2．热力学其次定律的开尔文表述(1)热机①热机工作的两个阶段第一个阶段是eq\o(□,\s\up3(05))燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。其次个阶段是工作物质eq\o(□,\s\up3(06))对外做功，把自己的内能变成机械能。②热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示为eq\o(□,\s\up3(07))η＝eq\f(W,Q)。(2)开尔文表述：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响。即机械能与内能转化具有方向性。(3)热力学其次定律的其他描述①气体向真空的自由膨胀是eq\o(□,\s\up3(08))不行逆的。②一切宏观自然过程的进行都具有eq\o(□,\s\up3(09))方向性。(4)其次类永动机①定义只从单一热源汲取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变更的eq\o(□,\s\up3(10))热机。②其次类永动机不行能制成其次类永动机不违反eq\o(□,\s\up3(11))能量守恒定律，但违反eq\o(□,\s\up3(12))热力学其次定律。二、热力学第肯定律、热力学其次定律的比较及两类永动机的比较1．热力学其次定律与热力学第肯定律(1)热力学第肯定律揭示了eq\o(□,\s\up3(01))做功和eq\o(□,\s\up3(02))热传递对变更物体内能的规律关系ΔU＝eq\o(□,\s\up3(03))W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。热力学第肯定律就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性。告诫人们：第一类永动机不行能制成。热力学第肯定律只有一种表述形式。(2)热力学其次定律的每一种表述都揭示了大量分子参加的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能，内能却不行能全部转化为机械能而不引起其他变更，进而使人们相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。告诫人们：其次类永动机不行能制成。热力学其次定律有eq\o(□,\s\up3(04))多种表述形式。(3)两定律的关系：热力学第肯定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的表达形式，说明功及热量与内能变更的定量关系，而其次定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变更过程的自然发展方向不行逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。2．两类永动机的比较分类第一类永动机其次类永动机设计要求eq\o(□,\s\up3(05))不消耗任何能量，可以不断对外做功(或只赐予很小的能量启动后，可以恒久运动下去)将内能全部转化为eq\o(□,\s\up3(06))机械能，而不引起其他变更(或只有一个热库，实现内能与机械能的转化)不行能的缘由违反了能量eq\o(□,\s\up3(07))守恒定律违反了eq\o(□,\s\up3(08))热力学其次定律判一判(1)任何物体的内能就是组成该物体的全部分子热运动动能的总和。()(2)满意能量守恒定律的物理过程都能自发进行。()(3)将海水温度自动下降时释放的内能可以全部转化为机械能。()(4)能够制成的热机既不违反能量守恒定律，也不违反热力学其次定律。()提示：(1)×(2)×(3)×(4)√

课堂任务对热力学其次定律的理解1．热力学其次定律克劳修斯表述阐述了热传递的方向性。其含义是热量从高温物体传递到低温物体是一个自发过程，不须要任何第三者的介入，不会对任何第三者产生任何影响。“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助。如：重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它们不受外界干扰，这就是自发的过程。2．热量也可以由低温物体传到高温物体，但这肯定不是一个自发过程，这个过程必需有第三者的介入。3．热力学其次定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：通过做功，机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化成机械能而不产生其他影响。4．热力学其次定律的实质：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。热力学其次定律的每一种表述，揭示了大量分子参加的宏观过程的方向性，使人们相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)依据热力学其次定律，下列说法正确的是()A．热机中燃气的内能不行能全部变成机械能B．电能不行能全部转变成内能C．在火力发电机中，燃气的内能不行能全部转变成电能D．在热传导中，热量不行能自发地从低温物体传递给高温物体[规范解答]热力学其次定律指明白宏观热现象具有方向性，利用这一方向性特点进行分析。凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采纳任何设备和手段进行能量转化，依据热机工作原理，热机工作时从高温热库吸热，一部分对外做功，一部分产生热量排出，热机的机械效率总小于100%，故A正确。火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必定不能全部变为电能，C正确。热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必需借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学其次定律第一种表述的主要思想，故D正确。由电流热效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能，故B错误。[完备答案]ACD对热力学其次定律的理解(1)理解热力学其次定律的实质，即自然界中进行的全部涉及热现象的宏观过程都具有方向性。理解的关键在于“自发”和“不引起其他变更”。(2)还要正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响。eq\a\vs4\al([变式训练1])(多选)依据热力学其次定律，下列说法中正确的是()A．不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功，而不引起其他变更B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源汲取的热量全部用来做功，而不引起其他变更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更D．不行能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变更答案AD解析热力学其次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需借助外界的帮助，因而引起其他变更，故A正确，B错误；热传导过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但要从低温物体传递到高温物体，必定引起其他变更(外界对系统做功)，故C错误，D正确。课堂任务热力学其次定律的应用热力学其次定律应用时要留意的几个问题1．单一热库：指温度匀称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。2．其他影响：指除了从单一热库汲取热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体汲取热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变更。不是不能从单一热库汲取热量而对外做功，而是这样做的结果，肯定伴随着其他变更或影响。同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动传热是不行能的。3．关于“不行能”：事实上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库汲取热量对外做功，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，不论用任何曲折困难的方法都不行能加以消退。4．适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。5．两种表述是等价的假如克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。例2关于其次类永动机的说法，正确的是()A．其次类永动机不行能制成，因为违反了能量守恒定律B．其次类永动机不行能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性C．其次类永动机不行能制成，因为同时违反了能量守恒定律和热力学其次定律D．其次类永动机不行能制成，因为没有足够精细的制作工艺[规范解答]其次类永动机是一种热机，它希望能够从单一热源吸热全部用来做功而不引起其他任何变更，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学其次定律，只有B正确。[完备答案]Beq\a\vs4\al([变式训练2])关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是()A．将地球上全部海水的温度降低0.2℃，以放出大量的内能供人类运用B．布朗运动是液体分子的运动，它说明液体分子永不停息地做无规则的运动C．在热传递中，热量肯定是从内能多的物体传向内能少的物体D．在热传递中，热量自发地从温度高的物体传到温度低的物体答案D解析自然界一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、C错误；布朗运动不是液体分子的运动，而是固体颗粒的运动，B错误。故只有D正确。A组：合格性水平训练1．(对热力学其次定律的理解)(多选)随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，近期油价不断攀升，已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一，下列有关能量转化的说法中错误的是()A．不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功，而不引起其他的变更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．满意能量守恒定律的物理过程都能自发的进行D．外界对物体做功，物体的内能必定增加答案BCD解析由热力学其次定律的开尔文表述可知A正确。热机效率总低于100%，B错误。满意能量守恒的过程未必能自发进行，任何过程肯定满意热力学其次定律，C错误。由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q可知，W＞0，ΔU不肯定大于0，即内能不肯定增加，D错误。2．(对热力学其次定律的理解)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成动能，使这个物体运动起来，其缘由是()A．违反了能量守恒定律B．在任何条件下内能不行能转化为机械能，只有机械能转化成内能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解析虽然不违反能量守恒定律，但违反热力学其次定律，因而不行能发生，故C正确。3．(对热力学其次定律的理解)(多选)下列哪些现象能够发生，并且不违反热力学其次定律()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、水自动分别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解析A、B都违反了热力学其次定律，都不能发生，C中系统的势能削减了，D中消耗了电能，所以不违反热力学其次定律，均能发生。4．(对热力学其次定律的理解)(多选)依据热力学其次定律，可知下列说法中正确的有()A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可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，但内能不行能全部转化为机械能D．机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能答案BD解析依据热传递规律可知热量不行能自发地从低温物体传到高温物体。但在肯定条件下，热量也可以从低温物体传到高温物体，例如电冰箱等就是这样的装置。因此B正确，A错误；机械能可以全部转化为内能，在肯定条件下，内能也可以全部转化为机械能。例如气体的等温膨胀，就是将汲取来的热量全部用来对外做功，但是它引起了肯定的变更，那就是气体膨胀了，要使气体回到原来状态，就必需对气体做功。因此D正确，C错误。5．(综合)(多选)下列说法中正确的是()A．第一类永动机不行能制成是因为它违反了能量守恒定律B．其次类永动机不行能制成是因为它违反了能量守恒定律C．热力学第肯定律和热力学其次定律是相互独立的D．热力学其次定律的两种表述是等效的答案ACD解析本题的关键是要了解第一类、其次类永动机是在什么状况下设想的，及对热力学两大定律的理解。第一类永动机是想“创生”能量，违反了能量守恒定律；其次类永动机是想使热机效率η＝1，违反了热力学其次定律(没有违反能量守恒定律)。热力学第肯定律是能量守恒定律在内能与其他形式能转换时的详细表达，热力学其次定律指出自然界中与热现象有关的宏观过程都具有方向性，它们分别从不同侧面揭示了热现象的本质，是相互独立的。热力学其次定律的两种表述是等效的，故A、C、D正确。6．(热力学其次定律的应用)(多选)下列说法中正确的是()A．满意能量守恒定律的客观过程并不是都可以自发地进行的B．一切宏观热力学过程都具有方向性C．制冷系统将冰箱内温度较低的食品的热量传给外界较高温度的空气，这违反了“热量只能从温度较高的物体传到温度较低的物体”的规律D．电冰箱从箱内温度较低的食品汲取的热量等于冰箱向外界空气释放的热量答案AB解析由热力学其次定律知，A、B正确；热量只能自发地从高温物体传向低温物体，但在满意了肯定条件后，热量也能够从低温物体传向高温物体—非自发性的传导，C错误；在电冰箱制冷过程中，由于做功效率无法达到100%，所以电冰箱从箱内低温食品汲取的热量小于冰箱向外界释放的热量，D错误。7．(综合)关于热力学第肯定律和热力学其次定律，下列论述正确的是()A．热力学第肯定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学其次定律则指出内能不行能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互冲突的B．内能可以转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不冲突C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不冲突，而且没有本质区分D．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第肯定律和热力学其次定律答案B解析热力学第肯定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热力学中的详细表现，热力学其次定律则进一步阐明白内能与其他形式能量转化时的方向性，两者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不冲突，故A、C、D错误，B正确。B组：等级性水平训练8．(对热力学其次定律的理解)(多选)关于热力学其次定律的理解，下列说法正确的是()A．热力学其次定律是一个试验定律B．反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学其次定律C．一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性D．气体向真空中膨胀的过程具有方向性答案BCD解析热力学其次定律是一个统计规律而不是试验定律，A错误；任何宏观自然过程的不行逆性都可以说明热力学其次定律，B正确；与热现象有关的宏观过程都是不行逆的，C正确；气体向真空中膨胀的过程是不行逆的，D正确。9．(综合)17世纪70年头，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，其结构如图所示，在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上、下端各有一个小孔P、Q，斜面下有一个连接两小孔的弯曲轨道。维尔金斯认为：假如在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面对上运动，当球运动到P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，由于这时球具有速度可以对外做功。然后又被磁铁吸引回到上端，到P处又漏下……。对于这个设计，下列推断中正确的是()A．满意能量守恒定律，所以可行B．不满意热力学其次定律，所以不行行C．不满意机械能守恒定律，所以不行行D．不满意能量守恒定律，所以不行行答案D解析该设计违反了能量守恒定律，故不行行，A、B、C错误，D正确。10.(热力学其次定律的应用)图中汽缸内盛有肯定质量的志向气体，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。现将活塞杆与外界连接使缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知志向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其次定律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其次定律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其次定律D．以上三种说法都不对答案C解析“汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温”说明气体内能不变，因此汲取的热量全部用来做功，但这并不违反热力学其次定律，因为有杆对外做功。C正确。11．(综合)(多选)如图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汲取箱体内的热量，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反热力学其次定律D．电冰箱的工作原理违反热力学第肯定律答案BC解析电冰箱能够从低温物体汲取热量，是因为电流做了功，消耗了电能，它不违反热力学第肯定律，也不违反热力学其次定律。故B、C正确，A、D错误。12．(热力学其次定律的应用)(多选)下列宏观过程能用热力学其次定律说明的是