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1、第4节热力学第二定律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，了解什么是热力学第二定律。2了解热力学第二定律的两种表述，以及两种表述的物理实质。3了解什么是第二类永动机，知道第二类永动机不能制成的原因。4能运用热力学第二定律解释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、热力学第二定律的两种表述1热力学第二定律的克劳修斯表述(1)热力学第二定律(概念)：反映宏观自然过程的方向性的定律。(2)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即热传导的过程具有方向性。2热力学第二定律的开尔文表述(1)热机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
2、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。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。(2)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。即机械能与内能转化具有方向性。(3)热力学第二定律的其他描述气体向真空的自由膨胀是不可逆的。一切宏观自然过程的进行都具有方向性。(4)第二类永动机定义只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化的热机。第二类永动机不可能制成第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律。二、热力学第一定律、热力学第二定律的比拟及两类永动机的比拟1热力学第二定律与热力学第一定律(1
3、)热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系UWQ，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。热力学第一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：第一类永动机不可能制成。热力学第一定律只有一种表述形式。(2)热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进而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。告诫人们：第二类永动机不可能制成。热力学第二定律有多种表述形式。(3)两定律的关系：热力学第一定
4、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改变的定量关系，而第二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，指出了一切变化过程的自然开展方向不可逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。2两类永动机的比拟分类第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量，可以不断对外做功(或只给予很小的能量启动后，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，实现内能与机械能的转化)不可能的原因违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律判一判(1)任何物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能的总和。()(2)满足能量守恒定律的物理过程都
5、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背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。()提示：(1)(2)(3)(4)课堂任务对热力学第二定律的理解1热力学第二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，不需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，但这一定不是一个自发过程，这个过程必须有第三者的介入。3热力学第二
6、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热力学第二定律的实质：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，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。例1(多项选择)根据热力学第二定律，以下说法正确的选项是()A热机中燃气的内能不可能全部变成机械能B电能不可能全部转变成内能C在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能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标准解答热力学第二定律指明了宏观热现象具有方向
7、性，利用这一方向性特点进行分析。但凡与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，根据热机工作原理，热机工作时从高温热库吸热，一局部对外做功，一局部产生热量排出，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，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确。热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二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。完美答案ACD对热力学第二定律的理解(
8、1)理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有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“不引起其他变化。(2)还要正确理解哪些过程不会到达100%的转化而不产生其他影响。(多项选择)根据热力学第二定律，以下说法中正确的选项是()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
9、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界的帮助，因而引起其他变化，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，必然引起其他变化(外界对系统做功)，故C错误，D正确。课堂任务热力学第二定律的应用热力学第二定律应用时要注意的几个问题1单一热库：指温度均匀并且恒定不变的系统。假设一系统各局部温度不相同或者温度不稳定，那么构成机器的工作物质可以在不同温度的两局部之间工作，从而可以对外做功。2其他影响：指除了从单一热库吸收热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高
10、温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化。不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。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可能的。3关于“不可能：实际上热机或制冷机系统循环终了时，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，不管用任何曲折复杂的方法都不可能加以消除。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如果克劳修斯表述不成立，那么开尔文表述也不成立。例2关于第
11、二类永动机的说法，正确的选项是()A第二类永动机不可能制成，因为违反了能量守恒定律B第二类永动机不可能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性C第二类永动机不可能制成，因为同时违反了能量守恒定律和热力学第二定律D第二类永动机不可能制成，因为没有足够精细的制作工艺标准解答第二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化，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，只有B正确。完美答案B关于热学现象和热学规律，以下说法中正确的选项是()A将地球上所有海水的温度降低0.2 ，以放出大量的内能供人类使用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
12、那么的运动C在热传递中，热量一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(对热力学第二定律的理解)(多项选择)随着世界经济的快速开展，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屡次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济开展的重大难题之一，以下有关能量转化的说法中错误的选项是()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
13、他的变化B只要对内燃机不断改良，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能C满足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，物体的内能必然增加答案BCD解析由热力学第二定律的开尔文表述可知A正确。热机效率总低于100%，B错误。满足能量守恒的过程未必能自发进行，任何过程一定满足热力学第二定律，C错误。由热力学第一定律UWQ可知，W0，U不一定大于0，即内能不一定增加，D错误。2(对热力学第二定律的理解)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，其原因是()A违反了能量守恒定律B在任何条件下内能不可能转化为机械能，只有机械能转化
14、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解析虽然不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，因而不可能发生，故C正确。3(对热力学第二定律的理解)(多项选择)以下哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律()A一杯热茶在翻开杯盖后，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、水自动别离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答案CD解析A、B都违背了热力学第二定律，都不能发生，C中系统的势能减少了，D中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，均能发生。4(对热力学第二
15、定律的理解)(多项选择)根据热力学第二定律，可知以下说法中正确的有()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，但内能不可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解析根据热传递规律可知热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。但在一定条件下，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，在一定条件下，内能也可以全部转化为机械能。例如气体的等温膨胀，就是将吸收来的热量全部用来对外做功，但是
16、它引起了一定的变化，那就是气体膨胀了，要使气体回到原来状态，就必须对气体做功。因此D正确，C错误。5(综合)(多项选择)以下说法中正确的选项是()A第一类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律B第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律C热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的D热力学第二定律的两种表述是等效的答案ACD解析此题的关键是要了解第一类、第二类永动机是在什么情况下设想的，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；第二类永动机是想使热机效率1，违反了热力学第二定律(没有违反能量守恒定律)。热力学第一定律是能量守恒定律在内能与其他形式能转换时
17、的具体表达，热力学第二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。热力学第二定律的两种表述是等效的，故A、C、D正确。6(热力学第二定律的应用)(多项选择)以下说法中正确的选项是()A满足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吸收的热量等于冰箱向外界空气释放的热量答案AB解析由热力学第二定律知，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
18、足了一定条件后，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，由于做成效率无法到达100%，所以电冰箱从箱内低温食品吸收的热量小于冰箱向外界释放的热量，D错误。7(综合)关于热力学第一定律和热力学第二定律，以下论述正确的选项是()A热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律那么指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的B内能可以转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾C两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别D其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律答案B解析热
19、力学第一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具体表现，热力学第二定律那么进一步说明了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，并不矛盾，故A、C、D错误，B正确。B组：等级性水平训练8(对热力学第二定律的理解)(多项选择)关于热力学第二定律的理解，以下说法正确的选项是()A热力学第二定律是一个实验定律B反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律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解析热力学第二定律是一个统计规律而不是实验定律，A错误；任何宏观自然过程的不可逆性都可以说明热
20、力学第二定律，B正确；与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，C正确；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，D正确。9(综合)17世纪70年代，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，其结构如下图，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：如果在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，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，以下判断中正确的选项是()A满足能量守恒定律，所以可行B不满足热力学第二定律，所以
21、不可行C不满足机械能守恒定律，所以不可行D不满足能量守恒定律，所以不可行答案D解析该设计违背了能量守恒定律，故不可行，A、B、C错误，D正确。10. (热力学第二定律的应用)图中汽缸内盛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。假设理想气体的内能只与温度有关，那么以下说法正确的选项是()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
22、此过程不违反热力学第二定律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，因此吸收的热量全部用来做功，但这并不违背热力学第二定律，因为有杆对外做功。C正确。11(综合)(多项选择)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。以下说法正确的选项是()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第二定律D电冰箱的工作原理违反热力学第一定律答案BC解析电冰箱能够
23、从低温物体吸收热量，是因为电流做了功，消耗了电能，它不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律。故B、C正确，A、D错误。12(热力学第二定律的应用)(多项选择)以下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，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到达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的方向性的规律，A不
24、属于热现象，错误；由热力学第二定律可知B、C、D正确。13(综合)在研究性学习的过程中，同学们提出了以下四个活动方案，哪些从理论上讲是可行的()A改良热机的生产工艺，总有一天热机的效率可以到达100%B创造一种制冷设备，使温度降至绝对零度C汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想方法使它们自发地别离，既清洁了空气，又变废为宝D将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题答案D解析热机的效率在任何条件下都不可能到达100%，A错误；温度不能无限降低，绝对零度不可能到达，B错误；扩散现象具有方向性，逆过程不可能自发进行，C错误；太阳能可以用来发电和进行加热，D正确。14(热力学第二定律的应用)以下过程中，可能发生的是()A某工作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翻开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发溢进去，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，而不引起其他的变化，但通过一些物理手段是可以实现的，故C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影响，故A错误；气体膨胀具有方向性，故B错误；扩散现象也有方向性，故D错误。- 8 -