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3.热力学第二定律
题组一　热力学第二定律的理解
1.（多选）根据热力学第二定律，下列判断正确的是（　　）
A.在没有引起其他变化的情况下，热机中燃气的内能不可能全部转化为机械能
B.电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转化成电能
D.在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
2.关于热力学定律，下列表述正确的是（　　）
A.不可能使热量从低温物体传递到高温物体
B.效率为100％的热机不可能制成，是因为违反了热力学第一定律
C.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行
D.外界对物体做功，物体的内能必定增加
3.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，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，所以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
4.下列过程中，可能实现的是（　　）
A.水的温度自动下降时释放的热量全部转化为机械能
B.内燃机汽缸内气体的内能全部转化为机械能
C.在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高
D.静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来
题组二　热力学第一定律与热力学第二定律的比较
5.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.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
6.（多选）下列说法中正确的是（　　）
A.第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律
B.如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温度一定相等
C.从单一热源吸收的热量全部变成功而不产生其他影响是不可能的
D.第二类永动机不可能制造成功的原因是能量不会凭空产生
7.（多选）（2024·四川德阳高二期中）下列现象及关于热力学第一、第二定律的叙述正确的是（　　）
A.一定质量的理想气体在等温膨胀过程中，气体一定从外界吸收热量
B.热力学第一定律和热力学第二定律是从不同角度阐述了能量守恒定律
C.0 ℃的冰融化为0 ℃的水，此过程系统吸收热量，内能增加
D.“覆水难收（泼出去的水难以收回）”反映了与热现象有关的宏观过程具有方向性
8.下列关于能量的说法，正确的是（　　）
A.能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们可以容易地把这些内能收集起来重新利用
B.在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的
C.科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的
D.各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的
9.（多选）如图所示，一绝热容器中间有一挡板，右半边封闭有理想气体，左半边是真空。若把挡板抽开，右边气体将向左边膨胀，最后气体将均匀分布在整个容器中，下列说法正确的是（　　）
A.气体对外做功，内能减小
B.气体温度不变，压强减小
C.气体分子单位时间对气壁单位面积的碰撞次数减小
D.根据热力学第二定律，抽开挡板，挡板左侧气体分子不能全部自发地回到右侧
10.下列说法正确的是（　　）
A.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
B.做功和热传递都可以改变内能，二者本质相同
C.第二类永动机违背了能量守恒定律，是不可能实现的
D.一定质量的理想气体，等压膨胀的过程中，向外界放出热量
11.下列关于热力学定律的说法中，正确的是（　　）
A.热力学第一定律与热力学第二定律的实质是一样的
B.不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功
C.我们要节约能源的根本原因是能量在数量上减少了
D.即使没有摩擦、不必要的散热损失，热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能
12.从清洁能源总体投资分布看，预计今年投资将占全球能源投资增长额的四分之三。关于能源与可持续发展，下列说法正确的是（　　）
A.篮球从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了
B.大量使用天然气作燃料符合“低碳生活”理念
C.随着科技的发展，永动机是可以制成的
D.在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能
13.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。
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什么？
3.热力学第二定律
1.ACD　与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，无论采用什么设备和手段进行能量转化，总是遵循“在没有引起其他变化的情况下，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；由焦耳定律可知，电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会对外放出热量，则燃气的内能不能全部转变为电能，故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，故D正确。
2.C　热量能由低温物体传递到高温物体，此过程会引起其他的变化，A错误；效率为100％的热机不可能制成，不违反热力学第一定律，但它违反了热力学第二定律，因此它不可能制成，B错误；由熵增加原理可知，一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，C正确；根据热力学第一定律，即ΔU＝W＋Q，物体的内能的变化与外界做功和物体的吸收热量有关，外界对物体做功，物体对外放热，物体的内能可能减小，D错误。
3.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，故C正确。
4.C　根据热力学第二定律可知，物体温度下降释放的热量不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能，故A、B错误；在粗糙水平面上运动的物体，它的动能会转化为内能，使物体温度升高，故C正确；静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的热量在没有特定的情况下会向周围释放，并不会使物体运动起来，故D错误。
5.B　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。
6.ABC　第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，A正确；如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温度一定相等，B正确；由热力学第二定律可知从单一热源吸收的热量全部变成功而不产生其他影响是不可能的，C正确；第二类永动机不可能制造成功的原因是其违背热力学第二定律，并不违背能量守恒定律，D错误。
7.ACD　一定质量的理想气体在等温膨胀过程中，内能不变，即ΔU＝0，而W＜0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＞0，气体一定从外界吸收热量，故A正确；热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的体现，热力学第二定律则指出了能量转化的方向性，故B错误；0 ℃的冰融化为0 ℃的水，系统分子势能增加，分子平均动能不变，分子总动能不变，系统内能增加，故C正确；热力学第二定律的微观意义是一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，泼出去的水相比盆中的水，分子无序性增加了，反映了与热现象有关的宏观过程具有方向性，故D正确。
8.B　能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，把这些内能收集起来重新利用是很困难的，A错误；在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的，B正确；科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，C错误；各种能量在不转化时是守恒的，在转化时也是守恒的，D错误。
9.BCD　挡板抽开后，由于左侧为真空，因此气体不对外做功，容器绝热，根据热力学第一定律得气体的内能不变，A错误；内能不变，则温度不变，气体体积增大，根据玻意耳定律可知，压强减小，B正确；温度不变，分子平均动能不变，压强减小，气体分子单位时间对气壁单位面积的碰撞次数减小，C正确；根据热力学第二定律可知热力学过程是有方向的，所以挡板左侧气体分子不能全部自发地回到右侧，D正确。
10.A　根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，A正确；做功和热传递都可以改变内能，做功是其他形式的能和内能的转化，热传递则是内能之间的转移，二者本质不相同，B错误；第二类永动机没有违背能量守恒定律，违背了热力学第二定律，C错误；一定质量的理想气体等压膨胀的过程中，气体对外做功，根据理想气体状态方程＝C可知，等压膨胀，就是p不变，体积增大，T也必须增大；既然是膨胀，也就是气体对外做功，由于温度T升高，内能增加，故气体从外界吸收热量，D错误。
11.D　热力学第一定律反映了物体的内能变化与做功和传热的关系，而热力学第二定律则反映了热现象的宏观方向性，A错误；在外界的影响下，可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功，B错误；我们要节约能源的根本原因是可利用能源的数量在不断减少，但能量的总量是不变的，C错误；根据热力学第二定律，即使没有摩擦、不必要的散热损失，热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能，也就是说，热机的效率不可能达到百分之百，D正确。
12.D　篮球从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能转化为了篮球和周围其他物体的内能，或转化为其他形式的能，能量不会消失，A错误；天然气主要成分是甲烷，完全燃烧，其燃烧时生成二氧化碳和水，不完全燃烧时生成一氧化碳和水，因此大量使用天然气作燃料不符合“低碳生活”理念，B错误；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违背了能量守恒定律，永动机是不可以制成的，C错误；由热力学第二定律可知，任何机械都有机械效率，因此燃气的内能不可能全部转变为电能，D正确。
13.见解析
解析：如图所示。
实质：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
3 / 33.热力学第二定律
核心素养目标 物理观念 1.知道热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等宏观自然过程都具有方向性。 2.知道热力学第二定律的两种表述方式。 3.知道第二类永动机是不可能实现的
科学思维 1.能运用热力学第二定律解释自然界中能量的转化、转移问题。 2.能运用热力学第二定律解释宏观自然过程的方向性问题
知识点一　自然界中宏观过程的方向性
1.热传递、　　　　现象、物体机械能与内能的转化都具有方向性。
2.能够揭示宏观自然过程方向性规律的是　　　　　　　　　。
知识点二　热力学第二定律的两种表述
1.热力学第二定律的克劳修斯表述
热量不可能自发地从　　　　　物体传递到　　　　物体。
2.热力学第二定律的开尔文表述
不可能从单一热源吸收热量，使之全部变成功，而不产生其他影响。
【情景思辨】
如图所示是热量在传递过程中的情景。请对以下说法作出判断：
（1）热量只能从高温物体传递到低温物体。（　　）
（2）热量不可能从低温物体传递到高温物体。（　　）
（3）热量从低温物体传递到高温物体，不可能自然发生。（　　）
（4）高温物体释放的热量不可能全部用于对外界做功。（　　）
要点一　热力学第二定律的理解
【探究】
热机工作时的能流分配图如图所示，从该图看，热力学第二定律的意义是什么？
【归纳】
1.自然过程的方向性
（1）热传递具有方向性
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，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体。
（3）机械能和内能之间的转化具有方向性
物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停下来，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）气体的自由膨胀过程具有方向性
气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空。
2.在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单—热源”“不可能”的含义
（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借助其他物体提供能量等。
（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）“单一热源”：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时，除了从单一热源吸收热量对外做功，以及热量从低温热源传到高温热源以外，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。
【典例1】　（多选）根据热力学第二定律可知，下列说法正确的是（　　）
A.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
B.没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的
C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气过程中，不引起其他变化
D.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
尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
规律方法
对热力学第二定律理解的两点说明
（1）理解热力学第二定律的关键在于“自发”和“不产生其他影响”。
（2）热量可以从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体，只不过前者能自发地进行，后者必须借助外界的帮助；机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能，肯定会产生其他影响。
1.（多选）关于自然过程的方向性，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.实际的宏观自发过程都具有“单向性”或“不可逆性”
D.气体的自由膨胀是不可逆过程
2.（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.电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律
D.电冰箱的工作原理违背热力学第二定律
要点二　热力学第一定律与热力学第二定律的比较
1.热力学第一定律与第二定律的比较
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
定律揭示的问题 它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系 它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的
机械能和内能的转化 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能 内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能
热量的传递 热量可以从高温物体自发地传到低温物体 说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体
联系 两定律都是热力学基本定律，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 不消耗任何能量，可以不断做功 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化
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
【典例2】　对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是（　　）
A.一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收80 J的热量，则它的内能增大20 J
B.物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少
C.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
D.热现象过程中不可避地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律
尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.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背了热力学第一定律
B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律
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
2.（多选）关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的是（　　）
A.热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的
B.热力学第二定律的两种表述是等效的
C.由热力学第一定律可知做功一定改变内能
D.由热力学第二定律可知，从单一热库吸收热量完全变成功是可能的
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.热传递是有方向性的
D.气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
2.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得出来的结果
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.（多选）电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了（　　）
A.热量能自发地从低温物体传给高温物体
B.在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体
C.热量的传递过程不具有方向性
D.在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
4.（多选）我国航天员漫步太空已成为现实。飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此将此设施专门做成了飞船的一个舱，叫“气闸舱”，其原理如图所示。两个相通的舱A、B间装有阀门K。指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡。若将此气体近似看成理想气体，则（　　）
A.气体体积膨胀，对外做功
B.气体分子势能减小，内能增加
C.气体体积变大，温度不变
D.B中气体不可能自发地全部退回到A中
5.如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，请在图片基础上思考以下问题：
（1）制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？
（2）热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？
3.热力学第二定律
【基础知识·准落实】
知识点一
1.扩散　2.热力学第二定律
知识点二
1.低温　高温
情景思辨
（1）×　（2）×　（3）√　（4）×
【核心要点·快突破】
要点一
知识精研
【探究】　提示：说明热机在工作时，不仅要从一个热库吸热，还一定会向另一个热库放热，热量不可能完全变成功而不产生其他影响。
【典例1】　AD　热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，选项A正确，B错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化（外界对系统做功），选项C错误，D正确。
素养训练
1.CD　机械能和内能的转化过程具有方向性，所以摩擦生热的过程是不可逆的，故A错误；实际的宏观自发过程都符合能量守恒定律，具有“单向性”或“不可逆性”，故B错误，C正确；气体自由膨胀的过程具有方向性，是不可逆过程，故D正确。
2.BC　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，要想使热量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；电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律，故C正确，D错误。
要点二
【典例2】　D　根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋80 J＝－20 J，它的内能减小20 J，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，故B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，故C错误；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，故D正确。
素养训练
1.D　第一类永动机违背热力学第一定律，第二类永动机违背热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝Q＋W可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的，但会产生其他影响，D正确。
2.ABD　热力学第二定律有几种不同的表述形式，但它们是等效的，它与热力学第一定律是各自独立的，A、B正确；由热力学第一定律可知，C错误；由热力学第二定律可知D中所述现象是可能的，但会产生其他影响，D正确。
【教学效果·勤检测】
1.ACD　如果是自发地进行，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，在外界的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A、C正确，B错误；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性，D正确。
2.B　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自然过程的方向性，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.BD　一切自发过程都有方向性，如热传递，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下，气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体（冷冻食品）传向高温物体（周围的大气）。所以在解答热力学过程的方向性问题时，要区分是自发过程还是非自发过程，电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的，故B、D正确，A、C错误。
4.CD　当阀门K被打开时，A中的气体进入B中，由于B中为真空，所以气体体积膨胀，对外不做功，故A错误；因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，则气体的温度也不变，故B错误，C正确；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，B中气体不能自发地全部退回到A中，故D正确。
5.（1）不是。热量从低温热库传到高温热库需要有外界做功。
（2）否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的释放到低温热库。
4 / 5(共65张PPT)
3.热力学第二定律
核
心
素
养
目
标 物理 观念 1.知道热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等宏观自然过程都具有方向性。
2.知道热力学第二定律的两种表述方式。
3.知道第二类永动机是不可能实现的
科学 思维 1.能运用热力学第二定律解释自然界中能量的转化、转移问题。
2.能运用热力学第二定律解释宏观自然过程的方向性问题
目 录
01.
基础知识·准落实
02.
核心要点·快突破
03.
教学效果·勤检测
04.
课时训练·提素能
基础知识·准落实
梳理归纳 自主学习
01
知识点一　自然界中宏观过程的方向性
1. 热传递、 现象、物体机械能与内能的转化都具有方向性。
2. 能够揭示宏观自然过程方向性规律的是 。
扩散　
热力学第二定律　
知识点二　热力学第二定律的两种表述
1. 热力学第二定律的克劳修斯表述
热量不可能自发地从 物体传递到 物体。
2. 热力学第二定律的开尔文表述
不可能从单一热源吸收热量，使之全部变成功，而不产生其他
影响。
低温　
高温　
【情景思辨】
如图所示是热量在传递过程中的情景。
请对以下说法作出判断：
（1）热量只能从高温物体传递到低温物体。（　×　）
（2）热量不可能从低温物体传递到高温物体。（　×　）
×
×
（3）热量从低温物体传递到高温物体，不可能自然发生 （　√　）
（4）高温物体释放的热量不可能全部用于对外界做功。 （　×　）
√
×
核心要点·快突破
互动探究 深化认知
02
要点一　热力学第二定律的理解
【探究】
热机工作时的能流分配图如图所示，从该图看，热力学第二定律的
意义是什么？
提示：说明热机在工作时，不仅要从一个热库吸热，还一定会向另一个热库放热，热量不可能完全变成功而不产生其他影响。
【归纳】
1. 自然过程的方向性
（1）热传递具有方向性
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，最后成为均匀的混合
气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两
种不同的气体。
（3）机械能和内能之间的转化具有方向性
物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停下来，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）气体的自由膨胀过程具有方向性
气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发
地从容器中流出，使容器内变为真空。
2. 在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影
响”“单—热源”“不可能”的含义
（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借助其他
物体提供能量等。
（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）“单一热源”：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时，除了从单一
热源吸收热量对外做功，以及热量从低温热源传到高温热源
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。
【典例1】　（多选）根据热力学第二定律可知，下列说法正确的是
（　　）
A. 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
B. 没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部
用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的
C. 制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气过程中，不引
起其他变化
D. 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
解析：热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机
械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而
内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，
选项A正确，B错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高
温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要
引起其他变化（外界对系统做功），选项C错误，D正确。
规律方法
对热力学第二定律理解的两点说明
（1）理解热力学第二定律的关键在于“自发”和“不产生其他影
响”。
（2）热量可以从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高
温物体，只不过前者能自发地进行，后者必须借助外界的帮
助；机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械
能，肯定会产生其他影响。
1. （多选）关于自然过程的方向性，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. 实际的宏观自发过程都具有“单向性”或“不可逆性”
D. 气体的自由膨胀是不可逆过程
解析：　机械能和内能的转化过程具有方向性，所以摩擦生热
的过程是不可逆的，故A错误；实际的宏观自发过程都符合能量守
恒定律，具有“单向性”或“不可逆性”，故B错误，C正确；气
体自由膨胀的过程具有方向性，是不可逆过程，故D正确。
2. （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. 电冰箱的工作原理不违背热力学第二 定律
D. 电冰箱的工作原理违背热力学第二定律
解析：　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，要想使热量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；电冰箱的工作原理不违背热力学第
二定律，故C正确，D错误。
要点二　热力学第一定律与热力学第二定律的比较
1. 热力学第一定律与第二定律的比较
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
定律揭示
的问题 它从能量守恒的角度揭示
了功、热量和内能改变量
三者间的定量关系 它指出自然界中出现的宏观
过程是有方向性的
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
机械能和内能的转化 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能 内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能
热量的传递 热量可以从高温物体自发地传到低温物体 说明热量不能自发地从低温
物体传到高温物体
联系 两定律都是热力学基本定律，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 不消耗任何能量，可以
不断做功 将内能全部转化为机械能，而
不引起其他变化
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
【典例2】　对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说
法正确的是（　　）
A. 一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收80 J的热量，
则它的内能增大20 J
B. 物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内
能一定减少
C. 凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量能
从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
D. 热现象过程中不可避地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学
第二定律
解析：根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋80 J＝－20 J，
它的内能减小20 J，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知
物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能
不一定减少，故B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递
给高温物体，如电冰箱，故C错误；能量耗散过程体现了宏观自然过
程的方向性，符合热力学第二定律，故D正确。
1. 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背了热力学第一定律
B. 第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律
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
解析：　第一类永动机违背热力学第一定律，第二类永动机违背
热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，
Q≠0，但ΔU＝Q＋W可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知
选项D中的现象是可能的，但会产生其他影响，D正确。
2. （多选）关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的
是（　　）
A. 热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的
B. 热力学第二定律的两种表述是等效的
C. 由热力学第一定律可知做功一定改变内能
D. 由热力学第二定律可知，从单一热库吸收热量完全变成功是可能的
解析：　热力学第二定律有几种不同的表述形式，但它们是等效的，它与热力学第一定律是各自独立的，A、B正确；由热力学第一定律可知，C错误；由热力学第二定律可知D中所述现象是可能的，但会产生其他影响，D正确。
03
教学效果·勤检测
强化技能 查缺补漏
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. 热传递是有方向性的
D. 气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
解析：　如果是自发地进行，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，在外界的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A、C正确，B错误；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性，D正确。
2. 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得出来的结果
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
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自然过程的方向性，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. （多选）电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度
较高的外界空气，这说明了（　　）
A. 热量能自发地从低温物体传给高温物体
B. 在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体
C. 热量的传递过程不具有方向性
D. 在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
解析：　一切自发过程都有方向性，如热传递，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自发地由密度大
的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下，气体可以由密度
小的地方向密度大的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物
体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体（冷冻食品）传向
高温物体（周围的大气）。所以在解答热力学过程的方向性问题
时，要区分是自发过程还是非自发过程，电冰箱内热量传递的过程
是有外界参与的，故B、D正确，A、C错误。
4. （多选）我国航天员漫步太空已成为现实。飞船在航天员出舱前先
要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此
将此设施专门做成了飞船的一个舱，叫“气闸舱”，其原理如图所
示。两个相通的舱A、B间装有阀门K。指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡。若将此气体近似看成理想气体，则（　）
A. 气体体积膨胀，对外做功
B. 气体分子势能减小，内能增加
C. 气体体积变大，温度不变
D. B中气体不可能自发地全部退回到A中
解析：　当阀门K被打开时，A中的气体进入B中，由于B中为真
空，所以气体体积膨胀，对外不做功，故A错误；因为系统与外界
无热交换，所以气体内能不变，则气体的温度也不变，故B错误，
C正确；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无
外界作用时，B中气体不能自发地全部退回到A中，故D正确。
5. 如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，请在图片基础上思考
以下问题：
（1）制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？
答案：不是。热量从低温热库传到高温热库需要有外界做功。
（2）热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？
答案：否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部
分用来做功，剩余的释放到低温热库。
04
课时训练·提素能
分层达标 素养提升
题组一　热力学第二定律的理解
1. （多选）根据热力学第二定律，下列判断正确的是（　　）
A. 在没有引起其他变化的情况下，热机中燃气的内能不可能全部转
化为机械能
B. 电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转化成电能
D. 在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
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解析：　与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，无论采用什么设备和手段进行能量转化，总是遵循“在没有引起其他变化的情况下，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；由焦耳定律可知，电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会对外放出热量，则燃气的内能不能全部转变为电能，故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，故D正确。
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2. 关于热力学定律，下列表述正确的是（　　）
A. 不可能使热量从低温物体传递到高温物体
B. 效率为100％的热机不可能制成，是因为违反了热力学第一定律
C. 一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行
D. 外界对物体做功，物体的内能必定增加
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解析：　热量能由低温物体传递到高温物体，此过程会引起其他
的变化，A错误；效率为100％的热机不可能制成，不违反热力学
第一定律，但它违反了热力学第二定律，因此它不可能制成，B错
误；由熵增加原理可知，一切自然过程总是沿着分子热运动无序性
增大的方向进行，C正确；根据热力学第一定律，即ΔU＝W＋Q，
物体的内能的变化与外界做功和物体的吸收热量有关，外界对物体
做功，物体对外放热，物体的内能可能减小，D错误。
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3. 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，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，所
以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
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解析：　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，故C正确。
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4. 下列过程中，可能实现的是（　　）
A. 水的温度自动下降时释放的热量全部转化为机械能
B. 内燃机汽缸内气体的内能全部转化为机械能
C. 在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度
升高
D. 静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为
物体的动能，使物体运动起来
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解析：　根据热力学第二定律可知，物体温度下降释放的热量不
可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能，故A、B错
误；在粗糙水平面上运动的物体，它的动能会转化为内能，使物体
温度升高，故C正确；静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释
放的热量在没有特定的情况下会向周围释放，并不会使物体运动起
来，故D错误。
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题组二　热力学第一定律与热力学第二定律的比较
5. 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. 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
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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。
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6. （多选）下列说法中正确的是（　　）
A. 第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律
B. 如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温
度一定相等
C. 从单一热源吸收的热量全部变成功而不产生其他影响是不可能的
D. 第二类永动机不可能制造成功的原因是能量不会凭空产生
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解析：　第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，A正确；如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温度一定相等，B正确；由热力学第二定律可知从单一热源吸收的热量全部变成功而不产生其他影响是不可能的，C正确；第二类永动机不可能制造成功的原因是其违背热力学第二定律，并不违背能量守恒定律，D错误。
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7. （多选）（2024·四川德阳高二期中）下列现象及关于热力学第
一、第二定律的叙述正确的是（　　）
A. 一定质量的理想气体在等温膨胀过程中，气体一定从外界吸收热
量
B. 热力学第一定律和热力学第二定律是从不同角度阐述了能量守恒
定律
C. 0 ℃的冰融化为0 ℃的水，此过程系统吸收热量，内能增加
D. “覆水难收（泼出去的水难以收回）”反映了与热现象有关的宏
观过程具有方向性
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解析：　一定质量的理想气体在等温膨胀过程中，内能不变，即ΔU＝0，而W＜0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＞0，气体一定从外界吸收热量，故A正确；热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的体现，热力学第二定律则指出了能量转化的方向性，故B错误；0 ℃的冰融化为0 ℃的水，系统分子势能增加，分子平均动能不变，分子总动能不变，系统内能增加，故C正确；热力学第二定律的微观意义是一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，泼出去的水相比盆中的水，分子无序性增加了，反映了与热现象有关的宏观过程具有方向性，故D正确。
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8. 下列关于能量的说法，正确的是（　　）
A. 能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们可以容易地
把这些内能收集起来重新利用
B. 在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质
上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的
C. 科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的
D. 各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的
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解析：　能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，把这些
内能收集起来重新利用是很困难的，A错误；在能源的利用过程
中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利
用的变成了不便于利用的，B正确；科学家研究发现，一切与热现
象有关的宏观自然过程都是不可逆的，C错误；各种能量在不转化
时是守恒的，在转化时也是守恒的，D错误。
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9. （多选）如图所示，一绝热容器中间有一挡板，右半边封闭有理想
气体，左半边是真空。若把挡板抽开，右边气体将向左边膨胀，最
后气体将均匀分布在整个容器中，下列说法正确的是（　　）
A. 气体对外做功，内能减小
B. 气体温度不变，压强减小
C. 气体分子单位时间对气壁单位面积的碰撞次数减小
D. 根据热力学第二定律，抽开挡板，挡板左侧气体分子不
能全部自发地回到右侧
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解析：　挡板抽开后，由于左侧为真空，因此气体不对外做功，容器绝热，根据热力学第一定律得气体的内能不变，A错误；内能不变，则温度不变，气体体积增大，根据玻意耳定律可知，压强减小，B正确；温度不变，分子平均动能不变，压强减小，气体分子单位时间对气壁单位面积的碰撞次数减小，C正确；根据热力学第二定律可知热力学过程是有方向的，所以挡板左侧气体分子不能全部自发地回到右侧，D正确。
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10. 下列说法正确的是（　　）
A. 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
B. 做功和热传递都可以改变内能，二者本质相同
C. 第二类永动机违背了能量守恒定律，是不可能实现的
D. 一定质量的理想气体，等压膨胀的过程中，向外界放出热量
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解析：　根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然
过程都是不可逆的，A正确；做功和热传递都可以改变内能，做
功是其他形式的能和内能的转化，热传递则是内能之间的转移，
二者本质不相同，B错误；第二类永动机没有违背能量守恒定
律，违背了热力学第二定律，C错误；一定质量的理想气体等压
膨胀的过程中，气体对外做功，根据理想气体状态方程＝C可
知，等压膨胀，就是p不变，体积增大，T也必须增大；既然是膨
胀，也就是气体对外做功，由于温度T升高，内能增加，故气体
从外界吸收热量，D错误。
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11. 下列关于热力学定律的说法中，正确的是（　　）
A. 热力学第一定律与热力学第二定律的实质是一样的
B. 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功
C. 我们要节约能源的根本原因是能量在数量上减少了
D. 即使没有摩擦、不必要的散热损失，热机也不可能把燃料产生的
内能全部转化为机械能
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解析：　热力学第一定律反映了物体的内能变化与做功和传热
的关系，而热力学第二定律则反映了热现象的宏观方向性，A错
误；在外界的影响下，可以从单一热库吸收热量，使之完全变成
功，B错误；我们要节约能源的根本原因是可利用能源的数量在
不断减少，但能量的总量是不变的，C错误；根据热力学第二定
律，即使没有摩擦、不必要的散热损失，热机也不可能把燃料产
生的内能全部转化为机械能，也就是说，热机的效率不可能达到
百分之百，D正确。
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12. 从清洁能源总体投资分布看，预计今年投资将占全球能源投资增
长额的四分之三。关于能源与可持续发展，下列说法正确的是
（　　）
A. 篮球从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了
B. 大量使用天然气作燃料符合“低碳生活”理念
C. 随着科技的发展，永动机是可以制成的
D. 在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能
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解析：　篮球从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能转
化为了篮球和周围其他物体的内能，或转化为其他形式的能，能
量不会消失，A错误；天然气主要成分是甲烷，完全燃烧，其燃
烧时生成二氧化碳和水，不完全燃烧时生成一氧化碳和水，因此
大量使用天然气作燃料不符合“低碳生活”理念，B错误；不需
要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违背了能
量守恒定律，永动机是不可以制成的，C错误；由热力学第二定
律可知，任何机械都有机械效率，因此燃气的内能不可能全部转
变为电能，D正确。
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13. 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。
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什么？
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答案：见解析
解析：如图所示。
实质：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
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谢谢观看!

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