人教版高中物理精讲精练-选择性必修33.4 热力学第二定律 原卷版

3.4热力学第二定律

【考点归纳】

题型一：热力学第二定律的两种表述

题型二：第二类永动机问题

题型三：热力学第二定律的微观意义

题型四：熵和熵的增加原理

题型五：热力学三大定律的综合问题

【知识归纳】

知识点一、热力学第二定律

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的．(选填“等价”或“不等价”)

知识点二、能源是有限的

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不变，但能量的品质下降了，能源减少了．

技巧归纳：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．

技巧归纳二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较

1．两定律的比较

热力学第一定律热力学第二定律

是能量守恒定律在热力学中的表现，否定是关于在有限空间和时间内，一切和热现

区别了创造能量和消灭能量的可能性，从而否象有关的物理过程、化学过程具有不可逆

定了第一类永动机性的经验总结，从而否定了第二类永动机

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

联系

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

不消耗任何能量，可以不断做功(或只将内能全部转化为机械能，而不引起其

设计要求给予很少的能量启动后，可以永远运动他变化(或只有一个热库，实现内能向

下去)机械能的转化)

不可能制

违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律

成的原因

【题型归纳】

题型一：热力学第二定律的两种表述

1．（22-23高二下·全国）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，不会由内能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%

2．（22-23高二下·湖北十堰·期末）关于热力学第二定律，下列说法不正确的是（）

A．第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律

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．热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体

D．热机效率不可能达到100%

3．（20-21高二下·云南丽江·阶段练习）关于热力学第二定律，下列表述正确的是（）

A．不可能使热量从低温物体传递到高温物体

B．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功

C．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行

D．在任何的自然过程中，一个孤立系统的总熵一定增加

题型二：第二类永动机问题

4．（22-23高二下·湖南长沙·期末）如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形

状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅

速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（）

A．热水将热量传递给叶片，所以热水的温度会降低

B．由形状记忆合金自身提供了转轮转动的能量

C．转轮依靠自身惯性一直转动，不需要消耗外界能量

D．叶片在热水中吸收的热量等于在空气中释放的热量

5．（22-23高二下·河北·期中）某校中学生参加某电视台“异想天开”节目的活动，他们提出了下列四个设想方案，从

理论上讲可行的是（）

A．制作一个装置从海水中吸收内能并全部用来做功

B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下

C．在房屋顶盖上安装太阳能板，可以用太阳能来解决照明和热水问题

D．汽车尾气中的各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废

为宝

6．（21-22高二下·陕西渭南·阶段练习）下列说法中正确的是（）

A．一定质量的理想气体在膨胀的同时吸收热量，气体分子的平均动能一定减小

B．第一类永动机和第二类永动机研制失败的原因是违背了能量守恒定律

C．一定质量的理想气体在等温膨胀过程中吸收的热量等于对外做的功，并不违反热力学第二定律

D．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

题型三：热力学第二定律的微观意义

7．（19-20高二下·山东烟台·期末）下列说法中，能够发生且不违背热力学第二定律的是（）

A．一杯热茶自然放置，茶会自动变得更热

B．电冰箱正常工作时把箱内低温物体的热量传递到箱外高温物体

C．只要对蒸汽机不断革新，它就可以把蒸汽的内能全部转化成机械能

D．利用降低海水温度放出大量的热量来发电，从而解决能源短缺的问题

8．（19-20高二下·陕西西安·期末）气闸舱的原理如图。座舱A与气闸舱B间装有阀门K，A中充满空气，B内为真

空。航天员由太空返回到B时，将B封闭，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统

保持温度不变，舱内气体可视为理想气体，不考虑航天员的影响，则此过程中（）

A．气体膨胀做功，内能减小

B．气体向外界放出热量

C．气体分子对A舱壁的压强减小

D．一段时间后，B内气体的密度可以自发地恢复到原来真空状态

9．（21-22高二下·云南保山·期中）下列说法不正确的是（）

A．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

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．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段

题型四：熵和熵的增加原理

10．（21-22高二下·辽宁丹东·期末）2022年4月16号上午，神舟13号飞船在内蒙古东风着陆场顺利降落，气闸舱

是实验舱中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置。气闸舱的工作原理简化图如图所示，座舱A充满一定

质量的理想气体，座舱B内为真空。打开阀门K，气体会自发扩散至B中，气体最终达到平衡，整个系统不漏气且

与外界没有热交换，下列说法正确的是（）

A．平衡后，气体系统的熵值在减小

B．座舱A中气体自发扩散过程中，气体对外做功，内能减小

C．平衡后，座舱B中气体可能自发的全部回到座舱A中

D．平衡后，气体分子单位时间内，与器壁单位面积的碰撞次数减少

11．（21-22高二下·四川遂宁·期末）孤立绝热密闭容器内的理想气体静置足够长时间后，该气体（）

A．分子排列将变得有序，其无规则运动停止

B．分子平均动能保持不娈

C．每个分子的速率都相同

D．孤立系统的熵减小了

12．（20-21高二下·河南周口·期中）下列说法中正确的是（）

A．因为液体表面有收缩的趋势，所以液体表面分子间只有引力没有斥力

B．液晶既具有液体的流动性，又具有光学各向同性

C．晶体熔化过程中吸收热量，分子平均动能一定增大

D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小

题型五：热力学三大定律的综合问题

13．（2024·辽宁·一模）根据热学中的有关知识，下列说法中正确的是（）

A．一切符合能量守恒定律的宏观过程都能发生

B．空调的工作过程表明，热量可以自发地由低温物体向高温物体传递

C．第二类永动机不违背能量守恒定律，当人类科技水平足够先进时，第二类永动机可以被制造出来

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

14．（22-23高二下·辽宁沈阳·期中）下列关于热力学定律的说法中，正确的是（）

A．热力学第一定律与热力学第二定律的实质是一样的

B．不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功

C．我们要节约能源的根本原因是能量在数量上减少了

D．即使没有摩擦、不必要的散热损失，热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能

15．（22-23高三下·浙江金华·阶段练习）关于热力学定律的表述与理解，下列说法正确的是（）

A．热力学第一定律指出，不可能达到绝对零度

B．热力学第一定律阐述了热传递具有方向性

C．热力学第二定律可描述为“气体向真空的自由膨胀是不可逆的”

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”

【课堂过关精练】

一、单选题

16．（22-23高二下·福建莆田）下列说法错误的是（）

A．热量能自发地从高温物体传给低温物体

B．热量不能从低温物体传到高温物体

C．热传导是有方向性的

D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的

17．（22-23高二下·山东聊城·期末）下列说法正确的是（）

A．冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵循热力学第二定律

B．自发的热传导是可逆的

C．可以通过给物体加热而使它运动起来，但不产生其他影响

D．气体向真空膨胀具有方向性

18．（22-23高二下·吉林松原·期末）根据热力学定律，下列说法正确的是（）

A．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量等于向室外放出的热量

B．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机

C．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”

D．电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律，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

19．（22-23高二下·黑龙江大庆·期末）根据热力学定律，下列说法正确的是（）

A．热量既能自发地从高温物体传递到低温物体，也能够自发地从低温物体传递到高温物体

B．一定质量的理想气体吸收了热量，则气体温度一定升高

C．对于一定质量的理想气体，如果体积增大，就会对外做功，所以内能一定减少

D．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功

20．（22-23高二下·上海杨浦·期末）根据热学中的有关知识，判断下列说法中错误的是（）

A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以用来做功转化成机械能

B．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

C．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，所以随着科技的进步和发展，第二

类永动机可以被制造出来

D．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热量可以逆向传递

21．（22-23高二下·贵州毕节·阶段练习）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．制冷剂在蒸发器中的状态可以看成理想气体

B．该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

C．冷凝器向环境散失的热量可能小于蒸发器从冰箱内吸收的热量

D．制冷剂在通过冷凝器的过程中分子势能和分子动能都增大

22．（22-23高二下·黑龙江绥化·阶段练习）下列叙述均和热力学定律相关，其中正确的是（）

A．不违背能量守恒定律的机器都能制成

B．电冰箱的制冷系统能够把冰箱内的热量传到外界，它违背了热力学第二定律

C．能量耗散过程中能量是不守恒的

D．从能量转化的角度看能量耗散反映了自然界中宏观过程具有方向性

23．（22-23高二下·广东广州·期末）如图所示为家用电冰箱的工作原理简化图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱

内外的管道中不断循环，在蒸发器中的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．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律

C．冷凝器中的制冷剂在液化过程中体积增大，内能增加

D．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

【高分突破精练】

一、单选题

24．（22-23高二下·江西萍乡·期末）某科学兴趣小组的同学制作了如图所示的水火箭，其工作原理是被压缩的高压

空气膨胀使水从水火箭尾部的喷嘴向下高速喷出，饮料瓶受到反作用力而快速上升，短时间内不考虑热传递。在此

过程中（）

A．封闭气体的体积增大、压强减小

B．封闭气体的内能全部转化为水的机械能

C．单位时间内容器内壁单位面积受到气体分子的撞击次数将增多

D．气体的温度降低，每一个气体分子的速率都将减小

25．（22-23高二下·江苏徐州·阶段练习）一定质量的理想气体从状态A开始依次经过状态B再到状态C再回到状态

1

A，其V图像如图所示，其中CA曲线为双曲线的一部分。下列说法正确的是（）

T

A．在B到C过程中，分子的速率分布曲线不发生变化

B．从C到A的过程中，器壁单位面积上受到气体分子平均碰撞力不变

C．从A到B过程中，气体从外界吸热并全部用来对外做功，所以违反了热力学第二定律

D．从C到A的过程与从A到B过程中外界对气体做功总和为零

26．（22-23高二下·浙江金华·期末）下列说法正确的是（）

A．空调在制冷过程中，从室内吸收的热量等于向室外放出的热量

B．海水降低温度可以放出大量的热量，科技的不断进步使得人类有可能通过降低海水的温度来发电，从而解

决能源短缺的问题

C．即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能

D．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”

27．（22-23高二下·山东潍坊·期末）如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状

态A，其中A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程。这就是热机的“卡诺循环”。则（）

A．A→B过程说明，热机可以从单一热源吸热对外做功而不引起其它变化

B．B→C过程中，气体分子在单位时间内碰撞单位面积器壁的平均力增大

C．C→D和D→A过程中，气体压强都增大的微观机制完全相同

D．B→C过程中气体对外做的功与D→A过程中外界对气体做的功相等

28．（22-23高二下·山东威海·阶段练习）下列说法正确的是（）

A．热量可以自发地从低温物体传到高温物体

B．第二类永动机不能制成，因为它违反了能量守恒定律

C．一定质量的理想气体在等温膨胀过程中，从外界吸收的热量全部用来做功，这一过程违反了热力学第二定

律

D．当把打足气的车胎内的气体迅速放出时，会发现气嘴处的温度明显降低，这是因为气体对外做功，胎内气

体温度降低

29．（22-23高二下·广东江门·期末）根据热力学定律，下列说法正确的是（）

A．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递

B．功转变为热的实际宏观过程是可逆过程

C．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机

D．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机

30．（22-23高二下·湖北武汉·期末）1827年，布朗作为英国植物学家，在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉不停顿的

无规则运动．1905年，爱因斯坦根据扩散方程建立布朗运动的统计理论，从而使分子动理论的物理图景为人们广泛

接受．关于分子动理论相关知识，下列说法中正确的是（）

A．分子的扩散现象是可逆的B．布朗运动证明组成固体小颗粒的分子在做无规则运动

C．花粉颗粒越小，无规则运动越明显D．分子永不停息的无规则运动说明永动机是可以实现的

二、多选题

31．（23-24高二下·浙江宁波·阶段练习）根据热力学定律，下列说法正确的是（）

A．电冰箱的工作原理表明，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，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，这一过程不遵守热力学第二定律

C．科技的不断进步使得人类有可能生产出单一热源的热机

D．尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%

32．（2024·全国·模拟预测）根据热学中的有关知识，下列说法中正确的是（）

A．一切符合能量守恒定律的宏观过程都能发生

B．空调的工作过程表明，热量可以由低温物体向高温物体传递

C．因为内能无法全部用来做功转化成机械能而不引起其他变化，所以热机效率一定不能达到百分之百

D．第二类永动机不违背能量守恒定律，当人类科技水平足够先进时，第二类永动机可以被制造出来

E．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

33．（2024·陕西商洛·模拟预测）下列说法正确的是（）

A．0℃的冰在熔化时，每个分子的动能可能发生变化

B．对于一定质量的理想气体，在压强不变，体积增大时，内能一定增大

C．在绝热条件下压缩气体，气体内能可能不变

D．自然界中要涉及热现象的宏观过程有的有方向性，有的没有方向性

E．空调的工作过程表明，热量可以从低温物体传递给高温物体

34．（23-2