第四節熱力學第二定律[目標定位]1.通過自然界中傳熱的方向性等實例，初步了解熱力學第二定律，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制成的原因.2.能運用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移以及宏觀自然過程的方向性問題.3.了解熵的概念及熵增加原理，并能解釋生活中的有關現象．一、熱力學第二定律[導學探究]兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發地從低溫物體傳給高溫物體，結果使高溫物體的溫度升高，低溫物體的溫度降低嗎？答案不會．熱傳導具有方向性．[知識梳理]1．兩種常見表述(1)克勞修斯表述：熱量不能自動地從低溫物體傳遞到高溫物體．(闡述的是熱傳導的方向性)(2)開爾文表述：不可能從單一熱源吸收熱量，并把它全部用來做功，而不引起其他變化．(闡述的是機械能與內能轉化的方向性)2．熱力學第二定律的理解(1)克勞修斯表述指明熱傳導等熱力學宏觀現象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助，其物理本質是揭示了熱傳導過程是不可逆(填“可逆”或“不可逆”)的．(2)開爾文表述中的“單一熱源”指溫度恒定且均勻的熱庫．“不引起其他變化”是指惟一效果是熱量全部轉變為功而外界及系統都不發生任何變化．其物理實質揭示了機械能轉化為內能的過程是不可逆的．(3)熱力學第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的過程的方向性．進而使人們認識到自然界中一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的．二、兩個熱力學定律的比較與應用[導學探究]地球上有大量的海水，它的總質量約為1.4×1018t，如果這些海水的溫度降低0.1℃，將要放出5.8×1023J的熱量，這相當于1800萬個功率為100萬千瓦的核電站一年的發電量，這么巨大的能量，人們為什么不去開發研究呢？答案這種利用海水的內能發電的過程，違背了熱力學第二定律，所以不會研究成功．[知識梳理]1．兩個定律比較：熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的具體表現形式，在轉化的過程中，總的能量保持不變．熱力學第二定律是指在有限的時間和空間內，一切和熱現象有關的物理過程、化學過程具有不可逆性(填“可逆性”或“不可逆性”)．2．兩類永動機的比較：第一類永動機：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，可以永遠運動下去)．第二類永動機：將內能全部轉化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現內能全部轉化為機械能)．3．第一類永動機和第二類永動機都不可能制成第一類永動機的設想違反了能量守恒定律；第二類永動機的設想不違反能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律．三、熱力學第二定律的微觀實質1．對機械能和內能的轉化過程的微觀解釋在通過做功使系統內能增加的過程中，自然過程是大量分子從有序運動狀態向無序運動狀態轉化的過程，但其逆過程卻不能自發地進行，即不可能由大量分子無序運動自發地轉變為有序的運動．2．對熱傳導過程的微觀解釋從微觀上看，熱傳導的過程是使物體內部分子的熱運動由比較有序的狀態向無序的狀態轉化的過程，其逆過程不能自發地進行．3．熱力學第二定律的微觀實質與熱現象有關的自發的宏觀過程，總是朝著分子熱運動狀態無序性增加的方向進行的．四、熵增加原理1．熵：描述物體無序程度的物理量．2．熵增加原理：在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵不會減少(填“增加”或“減少”)．這就是熵增加原理，也是熱力學第二定律的另一種表述.一、熱力學第二定律的基本考查例1(多選)根據熱力學第二定律可知，下列說法中正確的是()A．不可能從單一熱源吸收熱量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．不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化答案AD解析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，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，而內能要轉化為機械能必須借助外部的幫助，即會引起其他變化，A選項正確，B選項錯誤；熱傳遞過程也具有方向性，熱量能自發地從高溫物體傳給低溫物體，但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體，必然要引起其他變化(外界對系統做功)，故C選項錯誤，D選項正確．二、兩個熱力學定律的比較、應用例2關于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列論述正確的是()A．熱力學第一定律指出內能可以與其他形式的能相互轉化，而熱力學第二定律則指出內能不可能完全轉化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的B．內能可以全部轉化為其他形式的能，只是會產生其他影響，故兩條定律并不矛盾C．兩條定律都是有關能量轉化的規律，它們不但不矛盾，而且沒有本質區別D．其實，能量守恒定律已經包含了熱力學第一定律和熱力學第二定律答案B解析熱力學第一定律是能量守恒在熱現象中的體現，而熱力學第二定律則指出內能和其他形式能發生轉化的方向性，兩者并不矛盾，選項A、C、D錯誤，B正確．例3(多選)第二類永動機不可能制成是因為()A．違背了能量守恒定律B．違背了熱力學第二定律C．機械能不能全部轉變為內能D．內能不可能全部轉化為機械能，而不產生其他影響答案BD三、熱力學第二定律的微觀意義和熵增加原理例4下列關于熱力學第二定律微觀意義的說法正確的是()A．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律B．一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行C．有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行D．在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵會減小答案A解析熱力學第二定律是一個統計規律，A對；從熱力學第二定律的微觀本質看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行，B、C錯；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是熵增加的方向進行，故D錯．所以選A.1．(熱力學第二定律)(多選)下列說法中正確的是()A．一切涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性B．一切不違反能量守恒定律的物理過程都是可能實現的C．由熱力學第二定律可以判斷物理過程能否自發進行D．一切物理過程都不可能自發地進行答案AC解析熱力學第二定律指出了熱現象的方向性，而同時也指出了發生這些單一方向的過程的條件——自發．2．(熱力學定律的應用)下列說法中錯誤的是()A．第一類永動機不可能制成，因為它違背了能量守恒定律B．第二類永動機不可能制成，因為它違背了能量守恒定律C．熱力學第一定律和熱力學第二定律是相互獨立的D．熱力學第二定律的兩種表述是等效的答案B解析第一類永動機違背了能量守恒定律，第二類永動機違背了熱力學第二定律，故選項A正確，選項B錯誤；熱力學第一定律與熱力學第二定律相輔相成，互相獨立，選項C正確；熱力學第二定律的兩種表述是等效的，選項D正確．故選B項．3．(熱力學第二定律的微觀意義)(多選)關于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法正確的是()A．大量分子無規則的熱運動能夠自動轉變為有序運動B．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序運動狀態向有序運動狀態轉化的過程C．熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態向無序程度大的運動狀態轉化的過程D．一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行答案CD解析分子熱運動是大量分子的無規則運動，系統的一個宏觀狀態包含著大量的微觀狀態，這是一個無序的運動，根據熵增加原理，熱運動的結果只能使分子熱運動更加無序，而不是變得有序．熱傳遞的自然過程從微觀上講就是大量分子從無序程度小的運動狀態向無序程度大的運動狀態轉化的過程．4．(熵)下列關于熵的說法中錯誤的是()A．熵是系統內分子運動無序性的量度B．在自然過程中一個孤立系統的熵總是增加或不變的C．熱力學第二定律也叫做熵減小原理D．熵值越大代表著越無序答案C解析一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學第二定律的微觀意義．系統的熱力學過程就是大量分子向無序程度大的狀態變化的過程．自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統的熵值不會減小，因此熱力學第二定律又稱為熵增加原理．因此A、B、D說法正確，C說法錯誤．題組一熱力學第二定律的基本考查1．(多選)下列哪個過程具有方向性()A．熱傳導過程B．機械能向內能的轉化過程C．氣體的擴散過程D．氣體向真空中的膨脹答案ABCD解析這四個過程都是與熱現象有關的宏觀過程，根據熱力學第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性．2．(多選)關于熱機的效率，下列說法正確的是()A．有可能達到80% B．有可能達到100%C．有可能超過80% D．有可能超過100%答案AC解析由熱力學第二定律可知，不可能從單一熱源吸熱并把它全部用來做功，而不產生其他影響，所以熱機的效率永遠也達不到100%.3．下列過程中可能發生的是()A．某種物質從高溫熱源吸收20kJ的熱量，全部轉化為機械能，而沒有產生其他任何影響B．打開一高壓密閉容器，其內氣體自發溢出后又自發跑進去，恢復原狀C．利用其他手段，使低溫物體溫度更低，高溫物體的溫度更高D．將兩瓶不同液體混合，然后它們又自發地各自分開答案C解析根據熱力學第二定律，熱量不可能從低溫物體自發地傳遞給高溫物體，而不引起其他的影響，但通過一些物理手段是可以實現的，故C項正確；要使內能全部轉化為機械能必定要引起其他變化，故A項錯；氣體膨脹具有方向性，故B項錯；擴散現象也有方向性，故D項錯．4．下列說法中正確的是()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1答案D解析本題要求全面領會開爾文表述的含義，同時注意語言邏輯性．開爾文表述沒有排除熱量可以完全轉化為功，但必然要產生其他影響，比如氣體等溫膨脹過程，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源，但未必就是兩個熱庫，可以具有兩個以上熱庫，B錯誤；由η＝eq\f(Q1－Q2,Q1)可知，熱機效率必定小于1，故C錯誤，D正確．5．(多選)用兩種不同的金屬絲組成一個回路，接觸點1插在熱水中，接觸點2插在冷水中，如圖1所示，電流計指針會發生偏轉，這就是溫差發電現象．關于這一現象，正確的說法是()圖1A．這一實驗過程不違反熱力學第二定律B．在實驗過程中，熱水一定降溫、冷水一定升溫C．在實驗過程中，熱水內能全部轉化成電能，電能則部分轉化成冷水的內能D．在實驗過程中，熱水的內能只有部分轉化成電能，電能則全部轉化成冷水的內能答案AB解析溫差發電現象中產生了電能是因為熱水中的內能減少，一部分轉化為電能，一部分傳遞給冷水，轉化效率低于100%，不違反熱力學第二定律，熱水溫度降低，冷水溫度升高，故選項A、B正確，C、D錯誤．題組二兩個熱力學定律的比較、應用6．(多選)根據熱力學定律，下列說法中正確的是()A．電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞B．空調機在制冷過程中，從室內吸收的熱量少于向室外放出的熱量C．科技的進步可以使內燃機成為單一熱源的熱機D．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高答案AB解析熱力學第二定律的表述之一是熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，即自發熱傳遞具有方向性，選項A中熱量并非自發地從低溫物體傳到高溫物體，選項A正確；空調機制冷過程中一方面從室內吸收熱量，另一方面所消耗電能中的一部分又變為熱量散失在室外，使排放到室外的熱量多于從室內吸收的熱量，選項B正確；由熱力學第二定律的表述“不可能從單一熱源吸收熱量，并把它全部用來做功，而不引起其它變化”可知選項C錯誤；內能的變化決定于做功和熱傳遞兩個方面，壓縮氣體的同時向外界放熱，氣體的溫度可能不變，也可能降低，選項D錯誤．7．下列有關能量轉化的說法中正確的是()A．不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不產生其他影響B．只要對內燃機不斷改進，就可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能C．滿足能量守恒定律的物理過程都能自發地進行D．外界對物體做功，物體的內能必然增加答案A解析由熱力學第二定律的開爾文表述可知A對；熱機效率總低于100%，B錯；滿足能量守恒定律的過程未必能自發進行，任何過程一定遵循熱力學第二定律，C錯；由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即內能不一定增加，D錯．8．下列說法正確的是()圖2A．對物體做功不可能使物體的溫度升高B．一個由不導熱的材料做成的容器，被不導熱的隔板分成甲、乙兩室．甲室中裝有一定質量的溫度為T的氣體，乙室為真空，如圖2所示．提起隔板，讓甲室中的氣體進入乙室．若甲室中氣體的內能只與溫度有關，則提起隔板后當氣體重新達到平衡時，其溫度仍為TC．空調機作為制冷機使用時，將熱量從溫度較低的室內送到溫度較高的室外，所以制冷機的工作是不遵守熱力學第二定律的D．從單一熱源吸收熱量使之全部變成有用的機械能是不可能的答案B解析對物體做功可使物體的內能增加，溫度升高，如用打氣筒打氣時筒壁變熱，A錯誤；提起隔板后，氣體向真空自由膨脹，不對外做功，W＝0，且Q＝0，則內能不變，溫度不變，仍為T，B正確；在一定條件下，熱量可以由低溫物體傳到高溫物體，但引起了其他變化，所以制冷機的工作遵守熱力學第二定律，C錯；從單一熱源吸熱，并使之全部變成有用功是可能的，只是會引起其他變化，D錯誤．9．(多選)圖3為電冰箱的工作原理示意圖．壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內外的管道中不斷循環．在蒸發器中制冷劑汽化，吸收箱體內的熱量，經過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外．下列說法正確的是()圖3A．熱量可以自發地從冰箱內傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C．電冰箱的工作原理不違背熱力學第一定律D．電冰箱的工作原理違背熱力學第一定律答案BC解析熱力學第一定律適用于所有