1、- 1 -第 4 节热力学第二定律1.克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。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。3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，即 ， WQ，热机的效率WQ不可能达到 100%。4第二类永动机不可能制成。一、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
2、，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开而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。5一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。6热力学第二定律：反映宏观自然过程的方向性的定律。二、热力学第二定律的两种表述1克劳修斯表述热量不能自发地从低温物体传到高温物体，这就是热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是热传递的方向性。2开尔文表述不可能从单一热
3、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对热力学第二定律的理解- 2 -热力学第二定律的两种表述是等价的，也可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。4第二类永动机(1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为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。1自主思考判一判(1)温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从低温物体传给高温物体。()(2)第二类永动机违反了热力
4、学第二定律。()(3)热机的效率可以达到 100%。()(4)一切与热现象有关的微观自然过程都是不可逆的。()(5)第二类永动机违反了能量守恒定律。()(6)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。()2合作探究议一议(1)温度不同的两个物体接触时，热量会从低温物体传给高温物体吗？提示：会。温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，要使热量从低温物体传给高温物体，必须借助其他帮助，如电冰箱的工作。(2)两个不同的物体接触时，热量自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么？提示：“自发地”的含义是指没有任何外界影响或者其他帮助。(3)我
5、们假想：发明一种热机，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，而不引起其他变化，这是否可能？提示：热机不能把它得到的内能全部转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量 Q，即使是理想热机，没有摩擦，没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中。对热力学第二定律的理解- 3 -1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”的涵义(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
6、借助其他物体提供能量等。(2)“不产生其他影响”的涵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，不论用任何的办法都不可能加以消除。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
7、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。3热力学过程方向性实例(1)高温物体 低温物体 热 量 Q能 自 发 传 给 热 量 Q不 能 自 发 传 给(2)功 热 能 自 发 地 完 全 转 化 为 不 能 自 发 地 且 不 能 完 全 转 化 为(3)气体体积 V1 气体体积 V2(较大) 能 自 发 膨 胀 到 不 能 自 发 收 缩 到(4)不同气体 A 和 B 混合气体 AB 能 自 发 混 合 成 不 能 自 发 分 离 成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
8、)第二类永动机是不可能制成的。1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的原因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为功是可能的- 4 -解析：选 D 机械能可以全部转化为内能，故 A 项错误；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 项错误；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 项错误；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
9、，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 项正确。2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E功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程解析：选 ACE 改变内能的方法有做功和热传递两种，所以为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，A 项正确；对物体做功的同时物体向外界放热，则物体的内能可能不变或减小，B 项错误；根据热力学第二定律可知，在对外界有影响的前提下，可以从单一热源吸收热量，
10、使之完全变为功，C 项正确；在有外界做功的条件下，可以使热量从低温物体传递到高温物体，D 项错误；根据热力学第二定律可知，E 项正确。热力学第二定律与热力学第一定律比较1热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系热力学第一定律揭示了做功和传热对改变物体内能的规律关系 U WQ，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。热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性区别热力学第二定律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，进一步揭示了各种能量转化过程及物质运动
11、形式的转化过程都具有方向性联系热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，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，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响，所以二者相互独立，又相互补充2两类永动机的比较- 5 -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(或只有一个热源，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1多选(2016全国卷)关于热力学定律，下列说法正
12、确的是( )A气体吸热后温度一定升高B对气体做功可以改变其内能C理想气体等压膨胀过程一定放热D热量不可能自发地从低温物体传到高温物体E如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡解析：选 BDE 根据热力学定律，气体吸热后如果对外做功，则温度不一定升高，说法A 错误。改变物体内能的方式有做功和传热，对气体做功可以改变其内能，说法 B 正确。理想气体等压膨胀对外做功，根据 恒量知，膨胀过程一定吸热，说法 C 错误。根据热力学pVT第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，说法 D 正确。两个系统达到热平衡时，温度相等，如果这两个系统分别与状态确
13、定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，说法 E 正确。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反了热力学第一定律B第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律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：选 D 第一类永动机违反热力学第一定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B 错；由热力学第一定律可知 W0，Q0，但 U WQ 可以等于 0，C 错；由热力
14、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 对。3多选根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是( )- 6 -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热能，但热能不可能全部转化为机械能D机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能解析：选 BD 由热力学第二定律克劳修斯表述知，热量可以自发地从高温物体传给低温物体，当外界对系统做功时，也可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体，冰箱就是这样的装置，故 A 错误，B 正确。机械能可以全部转化为内能，如在水平地
15、面上运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终静止，这个过程中机械能全部转化为内能，当外界条件发生变化时，内能也可以全部转化为机械能，如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功，故 C 错误，D 正确。1多选关于热力学第二定律，下列说法正确的是( )A热量能够自发地从高温物体传到低温物体B不可能使热量从低温物体传向高温物体C从单一热库吸收热量，可以使之完全变成功D气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程E功转变为热的实际宏观过程是可逆过程解析：选 ACD 根据热力学第二定律知，热量能够自发地从高温物体传到低温物体，故A 正确。在外界的影响下，能使热量从低温物体传向高温物体，如空调，故 B 错
16、误。根据热力学第二定律：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变为有用功，而不产生其他影响，可知在外界的作用下，从单一热库吸收热量，可以使之完全变成功，故 C 正确。所有涉及热现象的宏观过程都有方向性，则知气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程，故 D 正确。功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程，故 E 错误。2多选根据热力学第二定律，下列判断正确的有( )A热机中燃气的内能不可能全部变成机械能B电流的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解析：选 ACD 凡是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
17、段进行能量转化，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能” ，故 A 正确。由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的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- 7 -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。3.如图所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，汽缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触面是光滑的，但不漏气。现将活塞与杆连接，使其缓慢地向
18、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( )A气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，因此此过程违反了热力学第二定律B气体是从单一热库吸热，但并未全部用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律C气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律D以上三种说法都不对解析：选 C 此过程虽然是气体从单一热库吸热，全部用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律。4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为动能，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
19、下内能不可能转化成机械能，只有机械能才能转化成内能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以上说法均不正确解析：选 C 机械能和内能的相互转化，必须通过做功来实现，故 C 对。5下列过程中，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打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发跑进去，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将两瓶不同液体自发混合，然后又自发地各自分开解析：选 C 根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些物理过程是可以
20、实现的，故 C 项对；内能自发地全部转化为机械能是不可能的，故 A 项错；气体膨胀具有方向性，故 B 项错；扩散现象也有方向性，D 项也错。6.多选如图所示，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- 8 -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一定律D电冰箱的工作原理违背热力学第一定律解析：选 BC 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
21、传到高温物体必须借助于其他系统做功，A 错误，B 正确。热力学第一定律适用于所有的热学过程，C 正确，D 错误。7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，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况。解析：温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，不违反热力学第二定律。答案：不违反 热水温度降低，冷水温度升高 一部分内能转化为电能8热力学第二定律常见的表述有以下两种：第一种表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体；第二种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。图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_。解析：从低温物体向高温物体传递热量是通过制冷机完成的，需要外界对制冷机做功；反过来热量从高温物体传向低温物体，是伴随着热机对外界做功同时发生的。- 9 -答案：如图所示 一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性
