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4　热力学第二定律
学习任务一　热力学第二定律
[物理观念] 热现象中的方向性
(1) 传热具有方向性:两个温度不同的物体相互接触时,热量会自发地从　　　　　　传给　　　　　　,而低温物体不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　　　　　　　　　,因而产生其他影响或引起其他变化.
(2) 物质的扩散现象具有方向性:两种不同的物质可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合物质,但这种均匀的混合物质不会自发地分开而成为两种不同的物质.
(3) 有摩擦的机械运动具有方向性:物体在水平面上运动,因摩擦而逐渐停止,但不可能出现物体吸收原来传递出去的　　　　后在地面上重新运动起来.
(4)气体的膨胀具有方向性:气体可以自发地向真空容器中膨胀,但不可能出现气体　　　　　从容器中流出而使容器变为真空.
(5)一切与热现象有关的宏观自然过程都是　　　　　的.
[教材链接] 阅读教材“热力学第二定律”相关内容,完成下列填空:
(1)热力学第二定律的两种表述
①克劳修斯表述:热量不能　　　　　从低温物体传到高温物体.表述阐述的是　　　　的方向性.
②开尔文表述: 不可能从单一热库吸收　　　　,使之完全变成　　　,而不产生其他影响.该表述阐述了　　　　　　　　　　的方向性.
(2)热机
①热机工作时从高温热库吸收的热量Q,只有一部分用来做功W,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温热库,故W②即使没有漏气和摩擦,也没有机体热量的损失,燃料产生的热量也不可能完全转化成机械能,工质吸收的热量不会全部变成功,即热机效率不可能达到100%.
(3)热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是　　　　(选填“等价”或“不等价”)的.
例1 (多选)[2024·山东烟台二中月考] 根据热力学定律,下列说法正确的是 (　)
A.电冰箱的工作表明,热量可以从低温物体向高温物体传递
B.空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量少于向室外放出的热量
C.科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机
D.即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失,热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能
[反思感悟]

变式1 下列过程中可能发生的是 (　)
A.某种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,其内气体自发逸出后又自发跑进去,恢复原状
C.利用其他手段,使低温物体的温度更低,高温物体的温度更高
D.将两瓶不同液体混合,然后它们又自发地各自分开
【要点总结】
1.对热力学第二定律的理解
(1) “自发地”过程就是在不受外界干扰的条件下进行的自然过程.
(2)“不产生其他影响”的含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)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,但不是自发地或是产生了其他影响.
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大量分子参与宏观过程的方向性,进而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.
学习任务二　热力学第一定律和热力学第二定律的比较和应用
　　　　　 　　　　　 　　　　　
[物理观念]
(1)两定律的比较
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 不需要任何动力或燃料却可以源源不断地对外做功的机器 从单一热源吸热,全部用来对外做功而不引起其他变化的机器
不可 能制 成的 原因 违背能量守恒定律,不可能实现 不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律,不可能实现
[科学态度与责任] 地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018 t,如果这些海水的温度降低0.1 ℃,将要放出5.8×1023 J的热量,这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量,这么巨大的能量,人们却不去开发研究是因为这种利用海水的内能发电的过程,违背了　　　　　　　,不会研究成功.
例2 [2020·全国卷Ⅱ] 下列关于能量转换过程的叙述,违背热力学第一定律的有　　　　,不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有　　　　.(填正确答案标号)
A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B.冷水倒入保温杯后,冷水和杯子的温度都变得更低
C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功,而不产生其他影响
D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
[反思感悟]



变式 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
[反思感悟]



【要点总结】
热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础,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,二者相互独立,又相互补充.
(1)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,对自然过程没有任何限制,是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性.告诫人们:第一类永动机不可能制成.
(2)热力学第二定律揭示了有关热的物理过程都具有方向性,明确哪些过程可以自发地进行,哪些过程必须借助于外界条件才能进行.告诫人们:第二类永动机不可能制成.
学习任务三　能源是有限的
[教材链接] 阅读教材“能源是有限的”相关内容,完成下列填空:
(1)能源:具有　　　　　的容易利用的储能物质.
(2)能量耗散:使用的能源转化成　　　　分散在环境中,不能自动聚集起来驱动机器做功,这样的转化过程叫作能量耗散.
(3)能源的使用过程中虽然能的总量保持不变,但能量的　　　　下降了,　　　　减少了.
[科学探究] (1)如图所示是两幅宣传节约能源的图片.请问:既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源
(2)流动的水带动水磨做功,由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压,使磨盘和粮食的温度升高,水流的一部分机械能转变成了内能,这些内能最终流散到周围的环境中,我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用.可见,内能与机械能相比,哪种能量的品质低
例3 关于能量和能源,下列说法正确的是 (　)
A.在能源利用的过程中,能量在数量上并未减少
B.由于自然界中总的能量守恒,所以不需要节约能源
C.能量耗散说明能量在转化过程中不断减少
D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
[反思感悟]

【要点总结】
能量与能源的区别
(1)自然界中的能量是守恒的,既不会增加也不会减少.
(2)能量耗散是能量从高品质能源向低品质能量转化的过程.
(3)能量总量不变,但能量的品质会下降即能源减少,故我们要节约能源.
熵与熵增加原理
熵用来描述一个系统的无序程度.根据熵的含义,热力学系统处于非平衡态时的分子热运动有一定的有序性,因此,其熵值较小;当其达到平衡态后,其分子热运动的无序性达到极高程度,其熵值达到最大值.
从微观角度看,热力学第二定律是一个统计规律:对于不与外界进行物质和能量交换的一个孤立热力学系统而言,所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程,因此,总是朝着熵增加的方向进行,或者说,一个孤立系统总的熵值总是不减少的,这
就是熵增加原理,也就是热力学第二定律的另一种表述形式.熵增加原理的适用对象是孤立系统,如果是非孤立系统,熵有可能减少.
示例 [2024·浙江杭州四中期末] 下面关于熵的说法错误的是 (　)
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的
D.熵值越大,代表系统分子运动越无序
1.(热现象的方向性)[2024·河南郑州一中月考] 关于自然过程中的方向性,下列说法正确的是 (　)
A.摩擦生热的过程是可逆的
B.凡是符合能量守恒定律的过程一般都是可逆的
C.实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”
D.空调既能制冷又能制热,说明传热不存在方向性
2.(热力学第二定律)[2024·湖北宜昌一中月考] 关于热力学第二定律,下列说法正确的是 (　)
A.热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律
B.热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律
C.热力学第二定律是物理学家从理论推导出来的结果
D.热力学第二定律没有理论和实验的依据,因此没有实际意义
3.(能量与能源)[2024·广东佛山一中月考] 下列说法中正确的是 (　)
A.自然界的能量总和是守恒的,因此节约能源毫无意义
B.能量被使用后就消失了,所以要节约能源
C.能源在使用过程中虽然能量的总量保持不变,但能量的品质下降了,所以要节约能源
D.能量耗散说明自然界的能量在不断减少
4.(热力学定律的应用)(多选)某校中学生参加中央电视台“异想天开”栏目的活动,他们提出了下列四个设想方案.从理论上讲可行的方案是(　)
A.城市上空的气温比周围环境要高,利用城市上空的热源来进行发电
B.在繁华的马路上设计一种装置,使行人走路时的一部分能量转化为电能
C.将屋顶都盖上太阳能板,可用太阳能来解决家庭照明和热水供应问题
D.想办法使汽车尾气中的各类有害气体自发地分离开,再将干净的气体排到空气中
5.(热力学定律的应用) (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.电冰箱的工作原理违背热力学第一定律
D.电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外,工作过程中所产生的其他影响,无论用任何办法都不可能加以消除
4　热力学第二定律
[物理观念] (1)高温物体　低温物体　借助外界的帮助　(3)热量　(4)自发地　(5)不可逆
[教材链接] (1)①自发地　传热　②热量　功　机械能与内能转化　(3)等价
例1　ABD　[解析] 热量可以在外界做功的情况下从低温物体向高温物体传递,但不能自发进行,故A正确;空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量少于向室外放出的热量,故B正确;不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化,故C错误;根据热力学第二定律,即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失,热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能,故D正确.
变式1　C　[解析] 根据热力学第二定律,热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体,而不引起其他的影响,但通过一些其他手段是可以实现的,故C项正确;内能转化为机械能不可能自发地进行,要使内能全部转化为机械能必定要引起其他变化,故A项错误;气体膨胀和扩散现象都具有方向性,故B、D项错误.
[科学态度与责任] 热力学第二定律
例2　B　C
[解析] A中汽油的化学能转化为热机的机械能和内能,符合热力学第一定律.B中冷水倒入保温杯,若冷水和杯子的温度都降低,内能都变小,无其他力做功,能量消失,违背了热力学第一定律.C中热机工作时,从高温热源吸收的热量不可能全部转化为功,效率不可能达到100%,违背了热力学第二定律.D中冰箱可以通过做功从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内,不违背热力学第二定律.
变式2　B　[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的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.
[教材链接] (1)高品质　(2)内能　(3)品质　能源
[科学探究] (1)能量是守恒的,但能量耗散却导致能量品质的降低,在利用它们的时候,高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量.
(2)内能.
例3　A　[解析] 根据能量守恒定律可知,在能源使用过程中,能量在数量上并未减少,A正确,C错误;虽然总能量不会减少,但是由于能量的品质降低,无法再利用,故还需要节约能源,B错误;根据能量守恒定律可知,能量不会被创造,也不会消失,D错误.
素养提升
示例　B　[解析] 熵是分子运动无序程度的量度,熵越大,分子运动无序程度越大,故A、D正确;孤立系统中发生的任何实际过程,其能量的总值保持不变,而其熵值是增加的,故B错误,C正确.
随堂巩固
1.C　[解析] 摩擦生热的过程是不可逆的,故A错误;符合能量守恒定律的过程具有单向性,一般是不可逆的,故B错误;实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”,故C正确;空调既能制冷又能制热,并不能说明传热不存在方向性,故D错误.
2.B　[解析] 热力学第二定律是物理学家通过对大量自然现象的分析,又总结了生产和生活经验得到的结论,是一个经验定律,它并不能通过理论和实验来证明,但它符合客观事实,因此是正确的,它揭示了热现象宏观过程的方向性,使人们认识到第二类永动机不可能制成,对我们认识自然和利用自然有着重要的指导意义,故B正确.
3.C　[解析] 自然界的能量总和是守恒的,能量不会减少,也不会消失,但有些能量使用以后品质下降,不可能再被利用,人类可以利用的能源是有限的,节约能源不仅能使我们长久利用能源,而且可以减小常规能源在使用中带来的污染,节约能源对人类社会的发展有很大的意义,故A、B、D错误,C正确.
4.ABC　[解析] 由于城市上空的气温比周围环境要高,因此可以根据“热岛效应”进行发电,故A正确;根据热力学第二定律知道,在不产生其他影响时,可以设计一种装置使行人走路时的一部分能量转化为电能,故B正确;太阳能是目前非常有效的清洁能源,可通过太阳能电池将太阳能转化为电能再加以利用,故C正确;有害气体和其他各类气体是自发地混合在一起的,而无法自发地分离,如果要进行分离则必须借助外力,故D错误.
5.BD　[解析] 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错误;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,故A错误,B正确;压缩机工作时会发热,将一部分电能转化为内能消耗掉,这种影响没法消除,故D正确.

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