高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第三节 热力学第二定律学案

第三节　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.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、热传导的方向性

热量从高温物体向低温物体的热传导过程是自发进行的，反之必须借助外界的作用．

二、机械能和内能转化的方向性

1．机械能可以全部转化为内能，内能却无法全部用来做功以转化为机械能，而不产生其他影响．

2．第二类永动机

从单一热源吸收热量并全部用来做功，把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达到100%，这种热机被称为第二类永动机．

三、扩散的方向性

气体向真空的自由膨胀是不可逆的．

四、热学第二定律

1．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．或者说，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．(该表述阐述的是热传导的方向性)

2．热力学第二定律的开尔文表述：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．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)

1．判断下列说法的正误．

(1)热量不会从低温物体传给高温物体．(　×　)

(2)机械能可以完全转化为内能，而内能不可能完全转化为机械能．(　×　)

(3)可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功．(　√　)

(4)只要满足能量守恒的一切过程都可以自发进行．(　×　)

2．热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明热传递过程具有________．冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这________(填“违反”或“不违反”)热力学第二定律．

答案　方向性　不违反

一、对热力学第二定律的理解

导学探究

(1)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”？

(2)机械能与内能转化的方向性是否可以理解为“机械能可以全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”？

答案　(1)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)不能．内能无法全部转化为机械能而不产生其他影响，产生其他影响指的是对周围环境产生热力学方面的影响．在有影响的情况可以实现内能全部转化为机械能．

知识深化

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”“单一热源”“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)“单一热源”：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，除了从单一热源吸收热量对外做功，以及热量从低温热源传到高温热源以外，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．

下列过程中可能发生的是(　　)

A．某种物质从高温热源吸收20 kJ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　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，而不产生其他的影响，但通过一些其他手段是可以实现的，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项错误；气体膨胀具有方向性，故B项错误；扩散现象也有方向性，故D项错误．

(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；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)，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源吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响．

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

2.两类永动机的比较

(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100 J，同时从外界吸收120 J 热量，则它的内能增加20 J

B．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．第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律

D．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，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＝－100 J＋120 J＝20 J，说明内能增加了20 J，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，内能减小，ΔU的大小由W、Q共同决定，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反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，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．

考点一　对热力学第二定律的理解

1．(2020·上海市金山中学高二期末)关于自然过程中的方向性，下列说法正确的是(　　)

A．摩擦生热的过程是可逆的

B．凡是符合能量守恒的过程都是可逆的

C．实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”

D．空调机既能制冷又能制热，说明热传递不存在方向性

答案　C

2．(多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是(　　)

A．热机中燃气的内能不可能全部转化为机械能

B．电能不可能全部变成内能

C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化成电能

D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体

答案　ACD

解析　由热力学第二定律知热机的效率不可能达到100%，则热机中燃气的内能不可能全部转化为机械能，故A正确；由焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能，故B错误；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，故燃气的内能不能全部转变为电能，故C正确；热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，故D正确．

3．(多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了(　　)

A．热量能自发地从低温物体传到高温物体

B．在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体

C．热量的传递过程不具有方向性

D．在自发的条件下热量的传递过程具有方向性

答案　BD

解析　一切自发过程都有方向性，如热传递，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散．在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体传向高温物体，B、D正确．

4．(多选)下列宏观过程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，墨水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，不会将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%

答案　BCD

解析　热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程具有方向性，A不属于热现象，A不符合题意；由热力学第二定律可知B、C、D符合题意．

5．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，但如果有外界影响，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对．

考点二　热力学第一定律与热力学第二定律的比较

6．(多选)(2020·宜宾市叙州区第一中学校月考)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，气体的内能减少

B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的

C．热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现

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”

答案　ABC

解析　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；热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，故C正确；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．

7．(2020·南京市中华中学高二月考)下列说法正确的是(　　)

A．第二类永动机不可能制成的原因是违背能量守恒定律

B．热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性

C．因为能量守恒，所以能源危机是不可能的

D．摩擦力做功的过程，必定有机械能转化为内能

答案　B

解析　第二类永动机不可能制造成的原因是违背热力学第二定律，但不违背能量守恒定律，选项A错误；热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性，选项B正确；能量虽然守恒，总量不变，但是我们可以利用的能源是有限的，故要节约能源，选项C错误；静摩擦力做功，没有机械能转化为内能，选项D错误．

8.(多选)如图1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(　　)

图1

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第一定律

D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

答案　BC

解析　热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热现象，C正确，D错误；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，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确．

9.(多选)如图2中气缸内盛有一定质量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触面是光滑的，但不漏气，现通过活塞杆使活塞缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并对外做功．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2

A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律

B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律

C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律

D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律

答案　CD

解析　气缸壁是导热的，外界环境温度不变，活塞缓慢向右移动过程中，气体等温膨胀，所以气缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功才能保证内能不变，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，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，C、D正确．