高考物理总复习24热力学第二定律学案.docx

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高考物理总复习24热力学第二定律学案

2.4　热力学第二定律

学习目标

核心提炼

1.知道传热的方向性及任何热现象的宏观过程都是不可逆的。

1个定律——热力学第二定律

2种表述——克劳修斯表述、开尔文表述

1种机器——第二类永动机

2.了解热力学第二定律，运用热力学第二定律解决一些实际问题。

3.知道什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。

一、宏观过程的方向性

1.热传导的方向性：

一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

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：

物体在水平面上运动，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膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，容器变为真空。

思维拓展

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”？

答案　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。

二、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：

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。

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）

3.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η＝

。

4.热力学第二定律的其他描述

（1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。

（2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。

（3）第二类永动机是不可能制成的。

5.第二类永动机

（1）定义：

只从单一热库吸收热量，使之完全变成功而不引起其他变化的热机。

（2）第二类永动机不可能制成的原因：

虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库。

思考判断

（1）热量不能从低温物体传到高温物体。

（×）

（2）不可逆过程指的是某过程只沿某个方向发生，而不可能在没有外界影响（或不产生其他影响）的情况下沿相反方向发生。

（√）

（3）内能不可能完全转化为机械能。

（×）

（4）一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性。

（×）

　对热力学第二定律的理解

[要点归纳]　

1.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。

2.其他影响

（1）除了从单一热库吸收的热量以及所做的功以外的其他一切影响。

（2）除了从低温物体吸收热量、高温物体得到热量外，其他一切影响和变化。

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，不论用任何曲折复杂的办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。

[精典示例]

[例1]（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

解析　热力学第二定律揭示了与热现象有关的宏观物理过程的方向性，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，而内能要转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，选项A正确，B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），故选项C错误，D正确。

答案　AD

（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”，但都有一个前提条件“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库吸收热量，使之完全用来做功。

但不是自发的或是产生了其他影响。

[针对训练1]（多选）根据热力学第二定律分析，下列说法中正确的是（　　）

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，也可以从低温物体传到高温物体

C.机械能可以全部转化为内能，但内能不可以全部转化为机械能

D.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部转化为机械能

解析　根据传热的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地（不需要外界帮助）从低温物体传到高温物体。

但是借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，A错误，B正确；机械能可以全部转化为内能（如一个运动物体克服摩擦力做功而最终停止运动时，机械能全部转化为内能）；在一定条件下，内能也可以全部转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全部用来做功，C错误，D正确。

答案　BD

　热力学第一定律与热力学第二定律的比较

[要点归纳]　

1.热力学第二定律与热力学第一定律的比较

热力学第一定律

热力学第二定律

区别

是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机

是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机

联系

两定律都是热力学基本定律，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

设计要求

不消耗任何能量，可以不断做功（或只给予很少的能量启动后，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，实现内能向机械能的转化）

不可能制成的原因

违背了能量守恒定律

违背了热力学第二定律

[精典示例]

[例2]关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是（　　）

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，而热力学第二定律则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.内能可以全部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转化的规律，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

解析　热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现，而热力学第二定律则指出内能和其他形式能发生转化的方向性，两者并不矛盾，选项A、C、D错误，B正确。

答案　B

热力学第一定律和第二定律的关系

（1）热力学第一定律和第二定律两者相互独立，有着本质的区别。

（2）热力学第一定律和第二定律两者相互补充，热力学第一定律是与热现象有关的物理过程中能量守恒的表达形式，而热力学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。

[针对训练2]关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是（　　）

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.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律

C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能

D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的

解析　第一类永动机违背热力学第一定律，第二类永动机违背热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但不引起其他变化是不可能的，D正确。

答案　D

1.（热力学第二定律的理解）（多选）下列说法正确的是（　　）

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.热传递是有方向性的

D.气体向真空中膨胀的过程是有方向性的

解析　如果是自发地进行，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A、C正确，B错误；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆，具有方向性的，D正确。

答案　ACD

2.（热力学第二定律的理解）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

解析　机械能可以全部转化为内能，故A错误；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错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C错误；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正确。

答案　D

3.（热力学第二定律的理解）（多选）下列说法中正确的是（　　）

A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性

B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的

C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行

D.一切物理过程都不可能自发地进行

解析　能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错误；在热传递的过程中，能量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C正确，D错误。

答案　AC

4.（能的转化与守恒定律）下列有关能量转化的说法中正确的是（　　）

A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他影响

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.满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行

D.外界对物体做功，物体的内能必然增加

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；满足能量守恒定律的过程未必能自发进行，任何过程一定遵循热力学第二定律，C错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知W>0，ΔU不一定大于0，即内能不一定增加，D错误。

答案　A

基础过关

1.（多选）关于热传导的方向性，下列说法正确的是（　　）

A.热量能自发地由高温物体传给低温物体

B.热量能自发地由低温物体传给高温物体

C.在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体

D.热量不可能从低温物体传给高温物体

解析　在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，但热量只能自发地从高温物体传给低温物体。

答案　AC

2.以下说法正确的是（　　）

A.热量不仅可以从高温物体传到低温物体，也可自发地从低温物体传到高温物体

B.空调等设备就是利用了热传导的方向性

C.无论采用什么方法，都不可能把热量从低温物体传递给高温物体

D.热量能自发地传递的条件是必须存在温度差

解析　热传导具有方向性，热量可以自发地由高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体，但不能自发地进行，故A错误；空调等可以将热量由低温物体传到高温物体，但消耗了电能，故B、C错误。

答案　D

3.（多选）根据热力学第二定律，下列判断正确的是（　　）

A.电能不可能全部变为内能

B.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能

C.热机中，燃气内能不可能全部变为机械能

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

解析　根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电能可全部变为内能（由焦耳定律可知），而内能不可能全部变成电能，而不产生其他影响。

机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能。

在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体。

答案　BCD

4.下列说法正确的是（　　）

A.第二类永动机违背了能量守恒定律

B.第二类永动机违背了热力学第二定律

C.根据能量守恒定律，经过不断的技术改造，热机的效率有可能达到100%

D.电冰箱和空调机工作时，热量从低温热源传到高温热源，违背了热力学第二定律

解析　第二类永动机没有违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，A错误，B正确；热机的效率永远小于100%，因为要向低温热源散热，C错误；电冰箱和空调机工作时，是通过压缩机做功，来实现热量从低温热源到高温热源的传递，所以并没有违背热力学第二定律，D错误。

答案　B

5.关于热力学定律和分子动理论，下列说法中正确的是（　　）

A.我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化

B.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的

C.在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小

D.温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大

解析　由热力学第二定律可知A错误，B正确；由分子间作用力与分子间距的关系可知C项错误；温度升高时，物体中分子平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，即并不是每个分子的运动速率都增大，故D项错误。

答案　B

6.下列说法正确的是（　　）

图1

A.对物体做功不可能使物体的温度升高

B.一个由不导热的材料做成的容器，被不导热的隔板分成甲、乙两室。

甲室中装有一定质量的温度为T的气体，乙室为真空，如图1所示。

提起隔板，让甲室中的气体进入乙室。

若甲室中气体的内能只与温度有关，则提起隔板后当气体重新达到平衡时，其温度仍为T

C.空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作是不遵守热力学第二定律的

D.从单一热源吸收热量使之全部变成有用的机械能是不可能的

解析　对物体做功可使物体的内能增加，温度升高，如用打气筒打气时筒壁变热，A错误；提起隔板后，气体向真空自由膨胀，不对外做功，W＝0，且Q＝0，则内能不变，温度不变，仍为T，B正确；在一定条件下，热量可以由低温物体传到高温物体，但引起了其他变化，所以制冷机的工作遵守热力学第二定律，C错误；从单一热源吸热，并使之全部变成有用功是可能的，只是会引起其他变化，D错误。

答案　B

能力提升

7.（多选）关于热力学定律，下列说法正确的是（　　）

A.为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量

B.对某物体做功，必定会使该物体的内能增加

C.可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功

D.不可能使热量从低温物体传向高温物体

解析　由ΔU＝W＋Q可知做功和热传递是改变内能的两种途径。

它们具有等效性，故A正确，B错误；由热力学第二定律可知，可以从单一热源吸收热量，使之全部变为功，但会产生其他影响，故C正确；热量只是不能自发的从低温物体传向高温物体，则D错误。

答案　AC

8.（多选）图2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2

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背热力学第二定律

D.电冰箱的工作原理违背热力学第二定律

解析　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，要想使热量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；电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律，C正确，D错误。

答案　BC

9.（多选）用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图3所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。

关于这一现象的正确说法是（　　）

图3

A.这一实验不违背热力学第二定律

B.在实验过程中，热水温度降低，冷水温度升高

C.在实验过程中，热水的内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能

D.在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能

解析　自然界中的任何自然现象或过程都不违背热力学定律，本实验现象也不违背热力学第二定律，A正确；整个过程中能量守恒且热传递有方向性，B正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误。

答案　AB

10.热力学第二定律常见的表述有两种：

第一种表述：

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；

第二种表述：

不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。

图4

图4甲是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：

外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体。

请你根据第二种表述完成示意图乙。

根据你的理解，热力学第二定律的实质是__________________________________

_________________________________________________________________

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解析　示意图如图所示。

一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

答案　见解析