教科版选修3-3 第4章 第3、4节 宏观过程的方向性 热力学第二定律

第3、4节

宏观过程的方向性__热力

学第二定律

一、宏观过程的方向性

1．热传递的方向性 在无外界影响的情况下，热只能从高温物体传向低温物体，要使热量从低温物体传向高温物体，外界必须对物体做功，即热传递具有方向性。

2．扩散现象的方向性 实事表明大量分子从某一位置扩散到其他空间，在没有其他影响时，不可能再全部回到原位置，即扩散现象具有方向性。

3．机械能与内能转化的方向性

(1)物体的内能不会自发地转化为物体的动能，即机械能与内能之间转化存在方向性。

(2)热机的效率η＝W Q 1＝1－Q 2Q 1

(Q 1表示热机从高温热源吸收的热量，Q 2表示向低温热源放出的热量，W

表示对外做功)。

4．其他过程的方向性

(1)燃烧现象、爆炸现象也具有方向性。

(2)在事件发生时，只沿某个方向发生，而不可能在没有外界影响的情况下沿相反方向发生的过程称不可逆过程。

二、热力学第二定律

1．热力学第二定律的表述

(1)克劳修斯表述

不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。

(2)开尔文表述

不可能从单一热源吸收热量使之全部变为有用的功而不产生其他影响。

2．意义

热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律。

1．判断：(1)温度不同的两个物体接触时，温度会自发地从高温物体传给低温物体。( )

(2)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。( )

(3)机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。( )

答案：(1)×(2)√(3)×

2．思考：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”？

提示：不能。“自发地”是指没有第三者影响，例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体，但是也产生了影响，即外界做了功。

1.)都具有方向性。热现象是与大量分子的无规则运动相联系的，因此，自然界中存在的凡涉及与分子热运动有关的宏观过程都是有方向性的。这就是热力学第二定律的实质。

2．热力学第二定律说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的，即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性。

3．热力学第二定律已在物理、化学、生物等自然学科中有着重要的应用，对我们认识自然、利用自然有重要的指导意义。

(1)在可以引起其他影响的情况下，热量可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等。

(2)分析热力学第二定律的应用问题时都不能忽视“自发性”和“不引起其他变化”的物理意义。

1．[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．热传导是有方向性的

D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的

解析：选ACD 如果是自发的过程，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，选项A对，B错，C对；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，具有方向性，选项D对。

1．热力学第一定律与热力学第二定律的关系

热力学第一定律中，摩擦力做功可以全部转化为热，热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下由热完全转化为功，热量可以从高温物体自发地传向低温物体。而热力学第二定律却说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体。热力学第一定律说明在任何过程中能量必守恒，热力学第二定律却说明并非所有能量守恒的过程均能实现。热力学第二定律是反映自然过程进行的方向和条件的一个规律，它指出自然界中出现的过程是具有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一些方向的过程则不

能实现。在热力学中，它和第一定律相辅相成，缺一不可。

2．两类永动机的比较

热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性。理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”。另外，还要正确区分热力学第一定律和热力学第二定律。

2．关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( )

A．第二类永动机违反能量守恒定律

B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加

C．外界对物体做功，则物体的内能一定增加

D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的

解析：选D 第二类永动机违反热力学第二定律，并不是违反能量守恒定律，故A错；据热力学第一定律ΔU＝Q＋W知内能的变化由做功W和热传递Q两个方面共同决定，只知道做功情况或只知道热传递情况无法确定内能的变化情况，故B、C项错误；做功和热传递都可改变物体内能。但做功是不同形式能的转化，而热传递是同种形式能间的转移，这两种方式是有区别的，故D正确。

[例1]

讲可行的是( )

A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功

B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下

C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝

D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题

[解析] 根据热力学第二定律知道，在不产生其他影响时，内能不能全部转化为机械能，因此从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响是不可能实现的，选项A错误；绝对零度是温度的极值，是不能达到的，选项B错误；有害气体和空气不可能自发地分离，选项C错误；利用太阳能最有前途的领域

是通过太阳能电池将太阳能转化为电能再加以利用，选项D正确。

[答案] D

[借题发挥] 理解热力学第二定律的两种表述，抓住其实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

[例2] [多选]

A．热传递的过程是有方向性的

B．第二类永动机不可能制成，因为它违反能量守恒定律

C．第二类永动机不可能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性

D．热力学第二定律表明，所有的物理过程都具有方向性

[解析] 根据热力学第二定律和实验事实都可以说明，热传递的过程是有方向性的，所以选项A正确；第二类永动机是一种热机，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，所以选项B错误，选项C正确；热力学第二定律指出了所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性，并不是所有的物理过程都具有方向性，因此选项D的说法错误。

[答案] AC

[借题发挥] 第二类永动机虽然没有违反能量的转化和守恒定律，但是机械能和内能的转化具有方向性，尽管机械能可以全部转化为内能，但是内能却不能全部转化为机械能而不引起其他变化，即第二类永动机违反了热力学第二定律。

热力学第二定律???????

自然过程的方向性????? 热传递功变热热机两种表述????? 克劳修斯表述开尔文表述实质：凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性微观意义第二类永动机不可能制成

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，它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

解析：选D 机械能可以全部转化为内能，故A错；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；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；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项对。

2．第二类永动机不可以制成，是因为( )

A．违背了热力学第一定律

B．热量总是从高温物体传递到低温物体

C．机械能不可能全部转变为内能

D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化

解析：选D 第二类永动机设想虽然符合热力学第一定律，但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律，所以不可能制成，故选D。

3．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。

4．关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是( )

A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并最终达到绝对零度

B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的

C．第二类永动机遵从能量守恒，故能做成

D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105 J，同时空气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了0.5×105 J

解析：选D 由热力学第二定律知B、C错；绝对零度不可达到，A错；由热力学第一定律知D正确。

5．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：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。如图甲所示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。

(1)请你根据第二种表述完成示意图乙。

(2)根据你的理解，热力学第二定律的实质是________。

解析：热机是能够从热源吸收热量，把内能转化为机械能的装置。由热力学第二定律知热机的效率不可能达到100%，即热机工作时必定存在向低温物体的散热。热力学第二定律的实质是一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

答案：(1)示意图如图所示。

(2)一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性

1．关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是( )

A．将地球上所有海水的温度降低0.2℃，以放出大量的内能供人类使用

B．布朗运动是液体分子的运动，它说明液体分子永不停息地做无规则的运动

C．在热传递中，热量一定是从内能多的物体传向内能少的物体

D．在热传递中，热量一定是自发地从温度高的物体流向温度低的物体

解析：选D 自然界一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、C错误；布朗运动不是液体分子的运动，而是固体微粒的运动，B错误；故只有D正确。

2．下列关于热现象的说法，正确的是( )

A．外界对物体做功，物体的内能一定增加

B．物体的温度可以一直降低到绝对零度

C．任何条件下，热量都不会由低温物体传递到高温物体

D．任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能

解析：选D 由热力学第一定律可知，物体内能是否增加取决于做功和吸放热的数量关系，A错；物体的温度不可能降低到绝对零度，B错；具备一定的条件，热量可以由低温物体传递到高温物体，C错；由热力学第二定律可知，D对。

3．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．内能可以完全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的转化规律，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：选B 热力学第一定律和热力学第二定律并不矛盾，机械能和内能的转化具有方向性，故B正确，A、C、D错误。

4．[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：选AC 内能的改变可以通过做功或热传递进行，故A对；对某物体做功，物体的内能不一定增加，B错；在引起其他变化的情况下，可以从单一热源吸收热量，将其全部变为功，C对；在引起其他变化的情况下，可以使热量从低温物体传向高温物体，D错。

5.如图所示，汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气。现通过活塞杆使活塞缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功。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．气体是从单一热源吸热，并全部用来对外做功，因此该过程违反热力学第二定律

B．气体是从单一热源吸热，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．气体是从单一热源吸热，并全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律

D．上述三种说法都不对

解析：选C 由热力学第二定律知，气体是从单一热源吸热、并全部用来做功，但是要保持外界环境恒温必然产生其他影响，因此此过程不违反热力学第二定律，故C正确，A、B、D错误。

6．[多选]如图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( )

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反热力学第一定律

D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

解析：选BC 热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；再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，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确。

7．[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，正确说法是( )

A ．这一实验过程不违反热力学第二定律

B ．在实验过程中，热水一定降温、冷水一定升温

C ．在实验过程中，热水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：选AB 在实验过程中，热水内能的一部分转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能，因为在转化过程中

电路要发热，此实验遵守热力学第二定律，因此A 、B 正确，C 、D 错误。

8．某热机使用热值q ＝3.0×107 J/kg 的燃料，燃烧效率为η1＝80%，气缸中高温、高压的燃气将内能转化为机械能的效率为η2＝40%，热机传动部分的机械效率为η3＝90%，若热机每小时燃烧m ＝40 kg 的燃料，那么热机输出的有用功率为多少？

解析：根据题意，热机每小时做的功为

W ＝ qmη1η2η3＝3.0×107×40×80%×40%×90% J

＝3.456×108 J

由功率的定义式P ＝W t ＝3.456×10860×60

W ＝96000 W ＝96 kW 。 答案：96 kW