1、4.熱力學第二定律學習目標：1物理觀念知道傳熱、擴散現象、機械能與內能的轉化具有方向性，了解能量耗散和品質降低的內容，能解釋相關現象。2.科學思維理解熱力學第二定律的兩種表述，學會用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移及方向性問題，提高分析推理能力。3.科學探究通過對熱機效率的探討，揭示熱機效率不能達到100%的實質，學會與他人交流合作，提高探索科學的能力。4.科學態度與責任學會科學家探索問題的方法，實事求是的科學態度，培養學習科學的興趣。閱讀本節教材，回答第59頁“問題”并梳理必要的知識點。教材P59“問題”提示：擴散具有方向性，顏料不能自發地重新聚集在一起，其余部分不能變成清水。一、

2、熱力學第二定律1熱力學第二定律的克勞修斯表述(1)內容：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。即傳熱的過程具有方向性。(2)傳熱的方向性熱量可以自發地由高溫物體傳給低溫物體。熱量不能自發地由低溫物體傳給高溫物體。一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。說明：在表述中強調“自發”，就是不需要任何第三者介入，就能發生。2熱力學第二定律的另一種表述(1)熱機熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質的內能。第二個階段是工作物質對外做功，把自己的內能變成機械能。熱機的效率：熱機輸出的機械功W與燃料產生的熱量Q的比值。用公式表示：eq f(W,Q)。(2)開爾文表達不可能

3、從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。(該表述闡述了機械能與內能轉化的方向性)注意：熱力學第二定律的克勞修斯和開爾文表述是等價的。二、能源是有限的1能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉化為內能，流散到環境中無法重新收集起來加以利用的現象。2各種形式的能量向內能的轉化，是無序程度較小的狀態向無序程度較大的狀態的轉化，是能夠自動發生、全額發生的。3能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的自發變化過程具有方向性。4能量耗散雖然不會導致能量總量的減少，卻會導致能量品質的降低，它實際上是將能量從高度有用的高品質形式降級為不大可用的低品質形式。說明：雖然能量總量不會減少，但能源會逐步

4、減少，因此能源是有限的資源。1思考判斷(正確的打“”，錯誤的打“”)(1)傳熱的過程是具有方向性的。()(2)科技發達后，熱機的效率可以達到100%。()(3)機械能可以全部轉化為內能，而內能不能自發地全部轉化為機械能。()(4)根據能量守恒定律可知，節約能源是沒有必要的。()2(多選)根據熱力學第二定律，下列說法中正確的是()A不可能從單一熱源吸熱并把它全部用來做功，而不引起其他變化B沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機是可以實現的C制冷系統將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣而不引起其他變化D在火力發電中，燃氣的內能不可能全部變成電能AD

5、熱力學第二定律揭示了與熱現象有關的物理過程的方向性，故A正確；機械能和內能的轉化過程具有方向性，機械能可以全部轉化為內能，而內能要全部轉化為機械能必須有外界的幫助，故B錯誤；冰箱向外傳遞熱量時消耗了電能，故C錯誤；火力發電時，能量轉化的過程為內能機械能電能，因為內能向機械能轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內能必然不會全部變為電能，故D正確。3(多選)熱現象過程中不可避免地出現能量耗散的現象。所謂能量耗散是指在能量轉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第二定律C能量耗散過程中能量仍守恒D能量耗散是從

6、能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性CD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，恰恰符合熱力學第二定律，故C、D正確。熱力學第二定律“火中取栗”是大家非常熟悉的成語，如圖所示，這其中包含什么物理知識呢？提示：當手伸到火中拿栗子時會被灼傷，即熱量從火傳到了手上，從而使手的溫度升高，這是由熱現象的方向性決定的，絕對不會出現手伸到火中后，熱量從手上傳到火中，而使手的溫度降低，而火的溫度更高的情況。1對熱力學第二定律的理解在熱力學第二定律的表述中，正確地理解“自發地”“不產生其他影響”的確切含義是理解熱力學第二定律的關鍵所在。(1)“自發地”過程

7、就是不受外來干擾進行的自然過程，如重物下落、植物的開花結果等都是自然界客觀存在的一些過程，它不受外界干擾。在傳熱過程中，熱量可以自發地從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發地從低溫物體傳向高溫物體。要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“對外界的影響或有外界的幫助”，就是要有外界對其做功才能完成。電冰箱就是一例，它是靠電流做功的幫助把熱量從低溫處“搬”運到高溫處的。(2)“不產生其他影響”的含義是發生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環境不產生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2熱機(1)熱機：把內能轉化成機械能的一種裝置。如蒸汽機把水蒸氣的內能轉化為機械能；內燃機把燃燒后的高溫高壓氣

8、體的內能轉化為機械能。(2)熱機的工作原理工作物質從熱庫吸收熱量Q1，推動活塞做功W，然后排出廢氣，同時把熱量Q2散發到冷凝器或大氣中。根據能量守恒有Q1WQ2。(3)熱機的效率把熱機做的功W與它從熱庫中吸收的熱量Q1的比值叫作熱機的效率，用表示，有eq f(W,Q1)。因為Q1WQ2，所以Q1W，W。熱機的效率不可能達到100%，即使是理想熱機，沒有摩擦，也沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉化為機械能，總要有一部分熱量散發到冷凝器或大氣中。3熱力學第二定律的實質熱力學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，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀

9、過程都具有方向性。4對熱力學第二定律的兩種表述等價性的證明兩種表述是等價的，即一個說法是正確的，另一個說法也必然是正確的；如一個說法是錯誤的，另一個說法必然是不成立的。【例1】(多選)根據熱力學第二定律，下列說法正確的是()A熱機中燃氣的內能不可能全部變成機械能B電能不可能全部轉變成內能C在火力發電機中，燃氣的內能不可能全部轉變成電能D在熱傳導中，熱量不可能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體思路點撥：(1)熱機效率不可能達到100%。(2)對“自發”的正確理解。ACD凡是與熱現象有關的宏觀熱現象都具有方向性。無論采用任何設備和手段進行能量轉化，熱機的效率不可能達到100%，故熱機中燃氣的內能不能全

10、部轉化為機械能，故A正確；火力發電機發電時，能量轉化的過程為內能機械能電能，因為內能機械能的轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內能必然不能全部轉變為電能，故C正確；熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發進行，必須借助外界的幫助，結果會帶來其他影響，這正是熱力學第二定律第一種(克勞修斯)表述的主要思想，故D正確。理解熱力學第二定律的實質，即自然界中進行的所有涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。理解的關鍵在于“自發”和“不產生其他影響”。跟進訓練1(多選)如圖中汽缸內盛有定量的理想氣體，汽缸壁是導熱的，缸外環境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣，現將活塞桿緩慢向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并

11、通過桿對外做功。若已知理想氣體的內能只與溫度有關，則下列說法正確的是()A氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，此過程違背熱力學第二定律B氣體是從單一熱源吸熱，但并未全部用來對外做功，此過程不違背熱力學第二定律C氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，此過程不違背熱力學第二定律D氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，此過程不違背熱力學第一定律CD由于氣體始終通過汽缸與外界接觸，外界溫度不變，活塞桿與外界連接并使其緩慢地向右移動過程中，有足夠時間進行熱交換，氣體等溫膨脹，所以汽缸內的氣體溫度不變，內能也不變，該過程氣體是從單一熱源即外部環境吸收熱量，即全部用來對外做功才能保證內能不變，此過程

12、既不違背熱力學第二定律，也不違背熱力學第一定律，此過程由外力對活塞做功來維持，如果沒有外力F對活塞做功，此過程不可能發生，C、D正確。能源是有限的如圖，質量和溫度相同的水，分別處于固態、液態和氣態三種狀態下，它們的熵的大小有什么關系？為什么？氣體 液體 固體提示：根據大量分子運動對系統無序程度的影響，熱力學第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統自發變化時，總是向著無序程度增加的方向發展，至少無序程度不會減少。這就是說，任何一個系統自發變化時，系統的熵要么增加，要么不變，但不會減小。質量相同，溫度相同的水，可以由固體自發地向液態、氣態轉化，所以，氣態時的熵最大，其次是液態，固態時的熵最小。1

13、如何正確理解能量耗散和品質降低(1)各種形式的能最終都轉化為內能，流散到周圍的環境中，分散在環境中的內能不管數量多么巨大，它也不過只能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能驅動機器做功了。(2)從可被利用的價值來看，內能較之機械能、電能等，是一種低品質的能量。由此可知，能量耗散雖然不會導致能量的總量減少，卻會導致能量品質的降低，實際上是將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式。(3)能量耗散導致可利用能源減少，所以要節約能源。2熵增加原理(1)熵是無序程度的量度：根據熵的含義，熱力學系統處于非平衡態時的粒子熱運動有一定的有序性，因此，其熵值較小；當其達到平衡態后，其粒子熱運動的無序性達到極高程

14、度，使其熵值達到最大值。(2)熱力學系統演化的方向性：對于絕熱或孤立的熱力學系統而言，所發生的是由非平衡態向著平衡態的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進行，或者說，一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展，這就是熵增加原理，也就是熱力學第二定律的另一種表述形式。如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加，熵增加原理的適用對象是對于孤立系統，如果是非孤立系統，熵有可能減少。【例2】(多選)下列關于能量耗散的說法正確的是()A能量耗散使能的總量減少，違背了能量守恒定律B能量耗散是指耗散在環境中的內能再也不能被人類利用C各種形式的能量向內能的轉化，是能夠自動全額發生的D能量耗散導致能量

15、品質的降低思路點撥：(1)能量轉化與轉移是守恒的。(2)能量耗散使品質降低，不好利用。BCD能量耗散是能量在轉化的過程中有一部分以內能的形式被周圍環境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品質降低，選項A錯誤，D正確；耗散的內能無法再被利用，選項B正確；其他形式的能在一定的條件下可以全部轉化為內能，但相反過程卻不能夠全額進行，選項C正確。故B、C、D正確。能量耗散不僅遵循能量守恒定律，而且從能量轉化的角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性。跟進訓練2(多選)下列關于能源的說法中正確的是()A能源是取之不盡，用之不竭的B能源是有限的，特別是常規能源，如煤、石油、天然氣等C大量消耗常規能源會使環境惡化，

16、故提倡開發利用新能源D核能的利用對環境的影響比燃燒石油、煤炭大BC盡管能量守恒，但耗散的能量無法重新收集利用，所以能源是有限的，特別是常規能源，A錯誤，B正確；常規能源的利用比新能源核能的利用對環境影響大，C正確，D錯誤。3(多選)對于孤立體系中發生的實際過程，下列說法中正確的是()A系統的總熵只能增大，不可能減小B系統的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C系統逐漸從比較有序的狀態向更無序的狀態發展D系統逐漸從比較無序的狀態向更有序的狀態發展AC在孤立體系中發生的實際過程，其系統的總熵是增加的，它不可能減小，故A正確，B錯誤；根據熵增加原理，系統總是自發的從比較有序的狀態向更無序的狀態發展，故

17、C正確，D錯誤。1物理觀念：熱力學第二定律的兩種表述、能源是有限的、熵。2科學思維：應用熱力學第二定律解題，熵的理解。3科學方法：討論法、推理法、比較法。1下列說法中正確的是()A電動機是把電能全部轉化為機械能的裝置B熱機是將內能全部轉化為機械能的裝置C隨著技術不斷發展，可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能D雖然不同形式的能量可以相互轉化，但不可能將已轉化成內能的能量全部收集起來加以完全利用D由于電阻的存在，電流通過電動機時一定會發熱，電能不能全部轉化為機械能，A錯誤；根據熱力學第二定律知，熱機不可能將內能全部轉化為機械能，B錯誤；C項說法違背熱力學第二定律，C錯誤；由于能量耗散，能源的可利

18、用率降低，D正確。2下列說法正確的是()A能量耗散說明能量在不斷減少B能量耗散從能量轉化角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性C熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體D根據熱力學第二定律，在火力發電機中，燃氣的內能可以全部轉化為電能B能量耗散是指能量的可利用率越來越低，由于能量守恒，故能量不會減少，選項A錯誤；根據熱力學定律可知，與熱現象有關的宏觀自然過程具有方向性，能量耗散就是從能量的角度反映了這種方向性，選項B正確；根據熱力學第二定律可知，能量轉化和轉移具有方向性，熱量不能自發地從低溫物體傳給高溫物體，但可以借助其他辦法實現，選項C錯誤；火力發電機發電時，能量轉化的過程為化學能內能機械能電能，因為

19、內能機械能的轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內能必然不能全部變為電能，選項D錯誤。3下列說法正確的是()A功可以完全轉化為熱量，而熱量不可以完全轉化為功B熱機必須是具有兩個熱庫，才能實現熱功轉化C熱機的效率不可能大于1，但可能等于1D熱機的效率必定小于1D開爾文表述沒有排除熱量可以完全轉化為功，但必然要產生其他變化，比如氣體等溫膨脹，氣體內能完全轉化為功，但氣體體積增大了，A錯誤；開爾文表述指出，熱機不可能只有單一熱庫，但未必就是兩個熱庫，可以具有兩個以上熱庫，B錯誤；由eq f(Q1Q2,Q1)可知，只要Q20，1，如果Q20，則低溫熱庫不存在，違背了開爾文表述，C錯誤，D正確。4(多選)根據熱力學第二定律可知，下列說法正確的有()A熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C機械功可以全部轉化為熱量，但熱量不可能全部轉化為機械功D機械功可以全部轉化為熱量，熱量也可能全部轉