第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律

第4節(jié)熱力學(xué)第二定律核心素養(yǎng)點(diǎn)擊物理觀念(1)通過對自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程方向性的實(shí)例分析，了解歸納熱力學(xué)第二定律的過程和方法。(2)了解能量與能源的區(qū)別以及能源的有限性?？茖W(xué)思維(1)知道與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程的方向性。(2)能用熱力學(xué)第二定律解釋常見的不可逆過程。科學(xué)探究探究熱機(jī)的工作原理。一、熱力學(xué)第二定律1．填一填(1)熱力學(xué)第二定律：在物理學(xué)中，反映宏觀自然過程的

的定律。(2)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從

物體傳到_____物體。(3)熱力學(xué)第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收

，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。2．判一判(1)熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。

(

)(2)熱量不可能從低溫物體傳遞到高溫物體。

(

)(3)熱機(jī)工作時(shí)從高溫?zé)釒煳盏臒崃恳欢ù笥跓釞C(jī)對外界所做的功。

(

)方向性低溫高溫?zé)崃俊獭痢?．想一想兩個(gè)不同的物體接觸時(shí)，熱量自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發(fā)地”的含義是什么？提示：“自發(fā)地”的含義是指沒有任何外界影響或者其他幫助。二、能源是有限的1．填一填(1)自然界的一切變化，人類社會的所有活動，都伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化，能量在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程中，總量是

的。(2)能量耗散：能源在利用過程中最后都轉(zhuǎn)化為

，不能再自動聚集起來加以利用的現(xiàn)象。(3)能源：具有

的容易利用的儲能物質(zhì)。(4)能量品質(zhì)變化：能源在使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)降低了，能源會越來越少，因此能源是有限的資源。守恒內(nèi)能高品質(zhì)2．判一判(1)能量耗散會導(dǎo)致總能量的減少。

(

)(2)能量在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程中，總量保持不變，因此，人類沒有必要節(jié)約能源。

(

)(3)能量雖然守恒，但在利用過程中品質(zhì)是下降的。

(

)××√3．選一選(多選)熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是

(

)A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C．能量耗散過程中能量仍守恒D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性解析：能量耗散過程能量仍守恒，但可利用的能源越來越少，這說明自然界中的宏觀過程具有方向性，恰恰說明符合熱力學(xué)第二定律，故C、D正確。答案：CD探究(一)熱力學(xué)第二定律的理解及應(yīng)用[問題驅(qū)動]如圖是熱量在傳遞過程中的情景。討論：(1)在自然過程中熱量是如何傳遞的？提示：熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調(diào)和冰箱是如何傳遞熱量的？提示：空調(diào)和冰箱可以通過電機(jī)做功，把熱量從溫度比較低的房間內(nèi)或冰箱內(nèi)傳遞到房間外或冰箱外。

[重難釋解]1．對熱力學(xué)第二定律的理解(1)“自發(fā)地”是指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性。在傳熱過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體提供能量等。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。(3)“單一熱庫”：指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)。若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構(gòu)成機(jī)器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功。據(jù)報(bào)道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。(4)“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝?，過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何的辦法都不可能加以消除。2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。3．熱力學(xué)過程方向性實(shí)例(1)高溫物體

低溫物體(2)功

熱(3)氣體體積V1

氣體體積V2(較大)(4)不同氣體A和B

混合氣體AB4．熱力學(xué)第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有方向性。(2)氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。(多選)下列現(xiàn)象不可能發(fā)生的是 (

)A．在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，能使該房間降溫B．蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C．一個(gè)在粗糙的水平地面上運(yùn)動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．在熱傳導(dǎo)中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體[解析]

在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，消耗了電能，產(chǎn)生了焦耳熱，所以房間溫度不僅不能降低還會升高，故A不可能發(fā)生；蒸汽機(jī)不可能把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，轉(zhuǎn)化過程中必然存在能量耗散，故B不可能發(fā)生；一個(gè)在粗糙的水平地面上運(yùn)動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C可能發(fā)生；在熱傳導(dǎo)中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，D可能發(fā)生。[答案]

AB對熱力學(xué)第二定律理解的兩個(gè)誤區(qū)(1)誤認(rèn)為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體，不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，也可以由低溫物體傳到高溫物體；但是，前者可以自發(fā)完成，而后者則必須有外界參與。(2)誤認(rèn)為機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；但是，前者可以不產(chǎn)生其他影響，而后者一定會產(chǎn)生其他影響。

[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)下列哪些過程具有方向性

(

)A．熱傳導(dǎo)過程 B．動能向勢能的轉(zhuǎn)化過程C．氣體的擴(kuò)散過程

D．氣體向真空中的膨脹過程解析：傳熱、氣體的擴(kuò)散和氣體在真空中的膨脹都是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程，由熱力學(xué)第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性，故選項(xiàng)A、C、D正確；動能向勢能的轉(zhuǎn)化與熱現(xiàn)象無關(guān)，是可逆的，不具有方向性，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。答案：ACD2．(多選)下列關(guān)于宏觀物體的熱現(xiàn)象的說法中正確的是

(

)A．一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B．一切不違背能量守恒定律的物理過程都是可能實(shí)現(xiàn)的C．由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進(jìn)行D．一切物理過程都不可能自發(fā)地進(jìn)行解析：熱力學(xué)第二定律是反映宏觀自然過程的方向性的定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體；并不是所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能實(shí)現(xiàn)，故A、C正確，B、D錯(cuò)誤。答案：AC

3．(多選)用兩種不同材料的金屬絲組成一個(gè)回路，接觸點(diǎn)1插在熱水中，接觸點(diǎn)2插在冷水中，如圖所示，電流計(jì)指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象。關(guān)于這一現(xiàn)象的正確說法是

(

)A．這一實(shí)驗(yàn)不違背熱力學(xué)第二定律B．在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水溫度降低，冷水溫度升高C．在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能，電能則部分轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能D．在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能，電能則全部轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能解析：自然界中的任何自然現(xiàn)象或過程都不違反熱力學(xué)第二定律，本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不違反熱力學(xué)第二定律，A正確；整個(gè)過程中能量守恒且傳熱有方向性，B正確；在實(shí)驗(yàn)過程中，熱水中的內(nèi)能除轉(zhuǎn)化為電能外，還升高了金屬絲的溫度，內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為電能；電能除轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能外，還升高了金屬絲的溫度，電能不能全部轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能，C、D錯(cuò)誤。答案：AB

探究(二)熱機(jī)和第二類永動機(jī)[問題驅(qū)動]如圖所示是制冷機(jī)和熱機(jī)的工作過程示意圖，請?jiān)趫D片基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)制冷機(jī)工作時(shí)熱量是自發(fā)地從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒靻幔刻崾荆翰皇?。熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒鞎r(shí)需要有外界做功。(2)熱機(jī)工作時(shí)是否將從高溫?zé)釒煳盏臒崃咳坑脕碜龉?？提示：否。熱機(jī)工作時(shí)只將從高溫?zé)釒煳諢崃康囊徊糠钟脕碜龉?，剩余的釋放到低溫?zé)釒?。[重難釋解]1．熱機(jī)的特點(diǎn)(1)熱機(jī)不僅僅只有一個(gè)熱庫。(2)熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%。2．第二類永動機(jī)不能制成的原因：違反了熱力學(xué)第二定律(不違反能量守恒定律)。3．第二類永動機(jī)不能制成的意義(1)機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。(2)機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。(3)兩類永動機(jī)的比較。第一類永動機(jī)：不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動下去)。第二類永動機(jī)：將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個(gè)熱源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)。在熱學(xué)中，下列說法正確的是 (

)A．第一類永動機(jī)不可制成是由于它違背了能量守恒定律B．第二類永動機(jī)不可制成是由于它違背了能量守恒定律C．熱力學(xué)第二定律告訴我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．熱量只能從高溫物體傳向低溫物體，而不能從低溫物體傳向高溫物體[解析]不消耗能量而不斷對外做功的第一類永動機(jī)是不可能制成的，因?yàn)樗`背了能量守恒定律，故A正確；從單一熱庫吸收熱量而對外做功的第二類永動機(jī)不違反能量守恒定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，故B錯(cuò)誤；熱力學(xué)第二定律告訴我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能在“一定的條件下”也能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故C錯(cuò)誤；熱量能從高溫物體傳向低溫物體，在“一定的條件下”也能從低溫物體傳向高溫物體，故D錯(cuò)誤。[答案]

A[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于熱機(jī)的效率，下列說法正確的是 (

)A．有可能達(dá)到80%

B．有可能達(dá)到100%C．有可能超過80% D．一定能達(dá)到100%解析：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱機(jī)效率永遠(yuǎn)也達(dá)不到100%。答案：AC2．下列有關(guān)熱學(xué)知識的論述正確的是 (

)A．兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量既能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，也可以自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B．無論用什么方式都不可能使能量從低溫物體向高溫物體傳遞C．第一類永動機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動機(jī)不違背能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，第二類永動機(jī)可以制造出來D．溫度是物體分子熱運(yùn)動平均動能的標(biāo)志解析：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，故A錯(cuò)誤；在外界的影響下，能使能量從低溫物體向高溫物體傳遞，空調(diào)、冰箱就是這個(gè)原理，故B錯(cuò)誤；第一類永動機(jī)違背能量守恒定律，不能制造出來，第二類永動機(jī)不違背能量守恒定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，同樣不能制造成功，故C錯(cuò)誤；溫度是物體分子熱運(yùn)動激烈程度的反映，是物體分子熱運(yùn)動平均動能的標(biāo)志，溫度越高，分子熱運(yùn)動平均動能越大，故D正確。答案：D探究(三)熵與熵增加原理

[重難釋解]1．宏觀態(tài)與微觀態(tài)

系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)即為宏觀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體的不同分布狀態(tài)即為微觀態(tài)。2．有序與無序

一個(gè)系統(tǒng)的個(gè)體按確定的規(guī)則，有順序地排列即為有序；個(gè)體分布沒有確定的要求，“怎么分布都可以”，即為無序。3．熵和熵增加原理(1)熵的定義：表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)的無序程度的物理量。(2)熵增加原理：在自發(fā)過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的。4．熵和熵增加原理的理解(1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動能大小一樣。系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個(gè)系統(tǒng)的熵越大。(2)系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少。也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是由熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行。從熵的意義上來說，系統(tǒng)自發(fā)變化時(shí)，總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會使熵減小。(3)任何宏觀物質(zhì)系統(tǒng)都有一定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過程中產(chǎn)生或傳遞。(多選)下面關(guān)于熱力學(xué)第二定律微觀意義的說法正確的是

(

)A．從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律B．一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動無序性減小的方向進(jìn)行C．有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動無序性增大的方向進(jìn)行，有的自然過程沿著分子熱運(yùn)動無序性減小的方向進(jìn)行D．在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會減小[解析]

從熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運(yùn)動無序程度增大的方向進(jìn)行，我們知道熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，故A正確，B、C錯(cuò)誤；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進(jìn)行，也就是朝著熵增加的方向進(jìn)行，故D正確。[答案]

AD有序及無序過程的判斷(1)解此類題目要理解好有序和無序，確定某種規(guī)則，符合這個(gè)規(guī)則的就是有序的，不符合這個(gè)規(guī)則和要求的分布是無序的。(2)無序意味著各處平均沒有差別；而有序則相反，是按照某種規(guī)則排列的，有序與無序是相對的。

[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于有序和無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)，下列說法正確的是

(

)A．有序和無序是絕對的B．一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對應(yīng)著許多的“微觀態(tài)”C．一個(gè)“宏觀態(tài)”只能對應(yīng)著唯一的“微觀態(tài)”D．無序意味著各處一樣、平均、沒有差別解析：無序是各處都一樣、平均、沒有差別，故D項(xiàng)正確；有序和無序是相對的，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；一個(gè)“宏觀態(tài)”可能對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)“微觀態(tài)”，故B項(xiàng)正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤。答案：BD2．下列關(guān)于熵的說法中錯(cuò)誤的是 (

)A．熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動無序性的量度B．在自然過程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是增加或不變的C．熱力學(xué)第二定律也叫作熵減小原理D．熵值越大代表越無序解析：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行，這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義。系統(tǒng)的熱力學(xué)過程就是大量分子向無序程度大的狀態(tài)變化的過程。自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值不會減小，因此熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理。因此A、B、D正確，C錯(cuò)誤。答案：C3．(多選)關(guān)于氣體向真空中擴(kuò)散規(guī)律的敘述中正確的是

(

)A．氣體分子數(shù)越少，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大B．氣體分子數(shù)越多，擴(kuò)散到真空中的分子全部回到原狀態(tài)的可能性越大C．?dāng)U散到真空中的分子在整個(gè)容器中分布越均勻，其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越大D．氣體向真空中擴(kuò)散時(shí)，總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行解析：氣體分子向真空中擴(kuò)散時(shí)，分子數(shù)越少，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越大；分子數(shù)越多，分子全部分布于原狀態(tài)下即全部回到原狀態(tài)的概率越小，則A正確，B錯(cuò)誤；擴(kuò)散到真空中的分子在整個(gè)容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)最多，并且這一宏觀態(tài)的無序性最大，C、D正確。答案：ACD一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材“物理聊吧”)一只完好的杯子從高處落到地上摔碎了(如圖所示)，這是一個(gè)可逆過程還是不可逆過程？在這個(gè)過程中熵是增加還是減少？為什么？提示：完好的杯子落到地上摔碎了，它不可能自發(fā)地恢復(fù)到原來的狀態(tài)，此過程是一個(gè)不可逆過程，這個(gè)過程中杯子的無序程度增加了，所以熵增加了。二、注重學(xué)以致用和思維建模1．17世紀(jì)70年代，英國賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設(shè)計(jì)了一種磁力“永動機(jī)”，其結(jié)構(gòu)如圖所示，在斜面頂端放一塊強(qiáng)磁鐵M，斜面上、下端各有一個(gè)小孔P、Q，斜面下有一個(gè)連接兩小孔的彎曲軌道。維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底放一個(gè)鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會沿斜面向上運(yùn)動，當(dāng)球運(yùn)動到P孔時(shí)，它會漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時(shí)球具有速度所以可以對外做功，然后鐵球又被磁鐵吸引回到上端，到P處又漏下……對于這個(gè)設(shè)計(jì)，下列判斷正確的是 (

)A．滿足能量守恒定律，所以可行B．不滿足熱力學(xué)第二定律，所以不可行C．不滿足機(jī)械能守恒定律，所以不可行D．不滿足能量守恒定律，所以不可行解析：該裝置可以持續(xù)不斷的對外做功，違背了能量守恒定律，故不可行，D正確。答案：D2.

(多選)如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時(shí)制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是