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人教版物理选择性必修第三册
第三章 热力学定律
第4节 热力学第二定律
1．知道热传递过程的方向性。
2．理解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的实质。
　 3.知道第二类永动机及第二类永动机不可能制成的原因。
　 4.了解热力学第二定律的微观解释及能量耗散。
1．填一填
(1)热力学第二定律：在物理学中，反映宏观自然过程的 的定律。
(2)热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从 物体传到 物体。
(3)热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收 ，使之完全变成功，而不产生其他影响。
2．判一判
(1)热量可以自发地从高温物体传递给低温物体。( )
(2)热量不可能从低温物体传递到高温物体。( )
(3)热机工作时从高温热库吸收的热量一定大于热机对外界所做的功。( )
3．想一想
两个不同的物体接触时，热量自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么？
1．填一填
(1)自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量在转移和转化过程中，总量是 的。
(2)能量耗散：能源在利用过程中最后都转化为 ，不能再自动聚集起来加以利用的现象。
(3)能源：具有 的容易利用的储能物质。
(4)能量品质变化：能源在使用过程中虽然能的总量保持不变，但品质降低了，能源会越来越少，因此能源是有限的资源。
2．判一判
(1)能量耗散会导致总能量的减少。( )
(2)能量在转移和转化过程中，总量保持不变，因此，人类没有必要节约能源。( )
(3)能量虽然守恒，但在利用过程中品质是下降的。( )
3．选一选
[多选]热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　)
A．能量耗散说明能量不守恒
B．能量耗散不符合热力学第二定律
C．能量耗散过程中能量仍守恒
D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性
对热力学第二定律的理解
[学透用活]
1．对热力学第二定律的理解
(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。在传热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)“单一热库”：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不同温度来发电。
(4)“不可能”：实际上热机统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从高温热库传到低温热库以外，过程中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。
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，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。
3．热力学过程方向性实例
(1)高温物体低温物体
(2)功热
(3)气体体积V1气体体积V2(较大)
(4)不同气体A和B混合气体AB
4．热力学第二定律的其他描述
(1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
(2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
　利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程__________(选填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量__________(选填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。
[对点练清]
1．[多选]下列哪些过程具有方向性(　　)
A．热传导过程
B．动能向势能的转化过程
C．气体的扩散过程
D．气体向真空中的膨胀过程
2．下列关于热现象的描述正确的是(　　)
A．满足能量守恒定律的宏观过程都可以自发进行
B．做功和热传递都通过能量转化的方式改变系统内能
C．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
D．温度不同的两块金属接触，达到热平衡后，它们具有的相同的物理量是热量
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．在自发地条件下热量的传递过程具有方向性
两个定律和两类永动机的比较
[学透用活]
1．热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
区　别 热力学第一定律揭示了做功和传热对改变物体内能的规律关系ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。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，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性 热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种能量转化过程及物质运动形式的转化过程都具有方向性
联　系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而热力学第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响，所以二者相互独立，又相互补充
2.第二类永动机
(1)第二类永动机：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化的热机。
(2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库。
3．两类永动机的比较
比较项目 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(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)
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
　　　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
[对点练清]
1．关于第二类永动机的说法，正确的是(　　)
A．第二类永动机不可能制成，因为违反了能量守恒定律
B．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
C．第二类永动机不可能制成，因为同时违反了能量守恒定律和热力学第二定律
D．第二类永动机不可能制成，因为没有足够精细的制作工艺
2．[多选]下列说法正确的有(　　)
A．第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律
B．第二类永动机违背了能量转化的方向性
C．自然界中的能量是守恒的，所以不用节约能源
D．自然界中的能量尽管是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源
3．[多选]关于两类永动机和热力学两大定律，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—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—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，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
熵与熵增加原理
[学透用活]
1．宏观态与微观态
系统的宏观状态即为宏观态，系统内个体的不同分布状态即为微观态。
2．有序与无序
一个系统的个体按确定的规则，有顺序地排列即为有序；个体分布没有确定的要求，“怎么分布都可以”，即为无序。
3．熵和熵增加原理
(1)熵的定义：表达一个系统的无序程度的物理量。
(2)熵增加原理：在自发过程中，一个孤立系统的熵值总是不减少的。
4．熵和熵增加原理的理解
(1)熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样。系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大。
(2)系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少。也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。从熵的意义上来说，系统自发变化时，总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减小。
(3)任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。
5．热力学第二定律的微观意义
热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地在相反的方向上出现。它指出在能量得以平衡的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发生。自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的，宏观自发过程的这种方向性(熵增加的方向)，也就成为时间的方向性，所以，“熵”又常常被称为“时间箭头”。
　[多选]下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　　)
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小
[对点练清]
1．[多选]关于有序和无序、宏观态和微观态，下列说法正确的是(　　)
A．有序和无序是绝对的
B．一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”
C．一个“宏观态”只能对应着唯一的“微观态”
D．无序意味着各处一样、平均、没有差别
2．下列关于熵的说法中错误的是(　　)
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的
C．热力学第二定律也叫作熵减小原理
D．熵值越大代表越无序
3．[多选]关于气体向真空中扩散规律的叙述中正确的是(　　)
A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C．扩散到真空中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大
D．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
一、杯子摔碎了(科学思维)
一只完好的杯子从高处落到地上摔碎了(如图所示)，这是一个可逆过程还是不可逆过程？在这个过程中熵是增加还是减少？为什么？
二、典题好题发掘，练典题做一当十
(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　　)
A．A端为冷端，B端为热端
B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D．该装置气体进出过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律
E．该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律
[课时跟踪训练]
A级—双基达标
1．关于能源的开发和利用，下列观点错误的是(　　)
A．无节制地利用能源，是一种盲目的短期行为
B．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的
C．能源的开发和利用，必须同时加强对环境的保护
D．不断开发新能源，是缓解能源危机的主要途径
2．[多选]下列关于熵的说法中正确的是(　　)
A．熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高
B．熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高
C．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序
D．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序
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
4．下列过程中，可能发生的是(　　)
A．某工作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，其内气体自发溢出后又自发跑进去，恢复原状
C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高
D．将两瓶不同液体自发混合，然后又自发地各自分开
5．[多选]根据热力学第二定律，下列判断正确的有(　　)
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电流的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变成电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
6．[多选]“绿水青山就是金山银山”，下述做法能改善空气质量的是(　　)
A．以煤等燃料作为主要生活燃料
B．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源
C．鼓励私人购买和使用普通汽车
D．用纯电动汽车代替燃油汽车
7．PM2.5主要来自化石燃料、生物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高效利用能源。关于能源和能量，下列说法中正确的是(　　)
A．自然界中的石油、煤炭等能源可供人类永久使用
B．人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源
C．能量被使用后就消灭了，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
8．[多选]根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是(　　)
A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体
C．机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能
9.
如图所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，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，因此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
10．下列说法中正确的是(　　)
A．无摩擦、无漏气等能量损失，就能使热机效率达到100%
B．热量不能从低温物体传到高温物体
C．一切物理过程都具有方向性
D．由热力学定律可推断出某个物理过程是否能自发进行
B级—选考提能
11．[多选]下列说法正确的是(　　)
A．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率，则B分布更无序
B．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率，则A分布更无序
C．大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是可逆的
D．大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是不可逆的
12．[多选]下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是(　　)
A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开
B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开
C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%
13．[多选]关于分子动理论和热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体
B．若两分子间距离增大，分子势能一定增大
C．一定质量的某种理想气体绝热膨胀，温度降低
D．热力学第二定律描述了宏观热现象的方向性
14．[多选]倒一杯热水，然后加入适量的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶，关于这个过程下列叙述正确的是(　　)
A．溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的
B．溶解过程是有序向无序转变的过程
C．结晶过程是有序向无序转变的过程
D．结晶过程不是自发的，因为有外界的影响
15．[多选]可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，1 m3可燃冰可转化为164 m3的天然气和0.8 m3的水，下列关于可燃冰说法正确的是(　　)
A．“可燃冰”是不可再生能源
B．“可燃冰”属于可再生能源
C．1 m3可燃冰比0.8 m3水的质量小
D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多
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第三章 热力学定律
第4节 热力学第二定律
1．知道热传递过程的方向性。
2．理解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的实质。
　 3.知道第二类永动机及第二类永动机不可能制成的原因。
　 4.了解热力学第二定律的微观解释及能量耗散。
1．填一填
(1)热力学第二定律：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律。
(2)热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
(3)热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
2．判一判
(1)热量可以自发地从高温物体传递给低温物体。(√)
(2)热量不可能从低温物体传递到高温物体。(×)
(3)热机工作时从高温热库吸收的热量一定大于热机对外界所做的功。(√)
3．想一想
两个不同的物体接触时，热量自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么？
提示：“自发地”的含义是指没有任何外界影响或者其他帮助。
1．填一填
(1)自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量在转移和转化过程中，总量是守恒的。
(2)能量耗散：能源在利用过程中最后都转化为内能，不能再自动聚集起来加以利用的现象。
(3)能源：具有高品质的容易利用的储能物质。
(4)能量品质变化：能源在使用过程中虽然能的总量保持不变，但品质降低了，能源会越来越少，因此能源是有限的资源。
2．判一判
(1)能量耗散会导致总能量的减少。(×)
(2)能量在转移和转化过程中，总量保持不变，因此，人类没有必要节约能源。(×)
(3)能量虽然守恒，但在利用过程中品质是下降的。(√)
3．选一选
[多选]热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　)
A．能量耗散说明能量不守恒
B．能量耗散不符合热力学第二定律
C．能量耗散过程中能量仍守恒
D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性
解析：选CD　能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学第二定律，故C、D对。
对热力学第二定律的理解
[学透用活]
1．对热力学第二定律的理解
(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。在传热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)“单一热库”：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不同温度来发电。
(4)“不可能”：实际上热机统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从高温热库传到低温热库以外，过程中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。
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，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。
3．热力学过程方向性实例
(1)高温物体低温物体
(2)功热
(3)气体体积V1气体体积V2(较大)
(4)不同气体A和B混合气体AB
4．热力学第二定律的其他描述
(1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
(2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
　利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程__________(选填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量__________(选填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。
[解析]　利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，需要空调的压缩机工作，不是自发过程；由于该过程消耗了电能，空调排放到室外环境的热量应等于电热加上从室内吸收的热量，即空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。
[答案]　不是　大于　
[易错警示]
对热力学第二定律理解的两个误区
(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体，不能由低温物体传到高温物体。
热量可以由高温物体传到低温物体，也可以由低温物体传到高温物体；但是，前者可以自发完成，而后者则必须有外界参与。
(2)误认为机械能可以完全转化为内能，而内能不能完全转化为机械能。
机械能可以完全转化为内能，内能也可以完全转化为机械能；但是，前者可以不产生其他影响，而后者一定会产生其他影响。
[对点练清]
1．[多选]下列哪些过程具有方向性(　　)
A．热传导过程
B．动能向势能的转化过程
C．气体的扩散过程
D．气体向真空中的膨胀过程
解析：选ACD　热传递、气体的扩散和气体在真空中的膨胀都是与热现象有关的宏观自然过程，由热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性，故选项A、C、D正确；动能向势能的转化与热现象无关，是可逆的，不具有方向性，故选项B错误。
2．下列关于热现象的描述正确的是(　　)
A．满足能量守恒定律的宏观过程都可以自发进行
B．做功和热传递都通过能量转化的方式改变系统内能
C．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
D．温度不同的两块金属接触，达到热平衡后，它们具有的相同的物理量是热量
解析：选C　满足能量守恒定律的宏观过程不一定都可以自发进行，例如热量由低温物体向高温物体的传递，选项A错误；做功是通过能量转化的方式改变系统内能，而热传递是通过能量的转移来改变物体的内能的，选项B错误；电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递，选项C正确；温度不同的两块金属接触，达到热平衡后，它们具有的相同的物理量是温度，选项D错误。
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．在自发地条件下热量的传递过程具有方向性
解析：选BD　电冰箱正常工作时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部空气，但必须耗电，说明在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体，故A错误，B正确；关闭电源后，热量就不可能从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，说明在自发的条件下热量的传递过程具有方向性，故C错误，D正确。
两个定律和两类永动机的比较
[学透用活]
1．热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
区　别 热力学第一定律揭示了做功和传热对改变物体内能的规律关系ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。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，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性 热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种能量转化过程及物质运动形式的转化过程都具有方向性
联　系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而热力学第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响，所以二者相互独立，又相互补充
2.第二类永动机
(1)第二类永动机：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化的热机。
(2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库。
3．两类永动机的比较
比较项目 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(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)
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
　　　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]　热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故C、D错误，B正确；内能在一定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作要消耗电能，故A错误。
[答案]　B
[规律方法]
热力学第一定律和热力学第二定律的应用技巧
(1)应用热力学第一定律，一定要考虑改变物体内能的两种方式，只有做功和热传递两方面都确定，才能确定物体内能的变化。
(2)热力学第二定律的应用，关键是对热现象宏观过程的方向性的理解，要抓住“自发”和“不引起其他变化”等所表述的物理意义。
[对点练清]
1．关于第二类永动机的说法，正确的是(　　)
A．第二类永动机不可能制成，因为违反了能量守恒定律
B．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
C．第二类永动机不可能制成，因为同时违反了能量守恒定律和热力学第二定律
D．第二类永动机不可能制成，因为没有足够精细的制作工艺
解析：选B　第二类永动机是一种热机，它希望能够从单一热源吸热全部用来做功而不引起其他任何变化，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，故B选项正确。
2．[多选]下列说法正确的有(　　)
A．第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律
B．第二类永动机违背了能量转化的方向性
C．自然界中的能量是守恒的，所以不用节约能源
D．自然界中的能量尽管是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源
解析：选BD　第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背了能量转化的方向性，故A项错，B项对；虽然自然界中能量守恒，但能源的品质不同，有的便于利用，有的不便于利用，为了便于有效地利用能源，仍要节约能源，故C错，D对。
3．[多选]关于两类永动机和热力学两大定律，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—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—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，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
解析：选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，故A、B正确；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但不引起其他变化是不可能的，D正确。
熵与熵增加原理
[学透用活]
1．宏观态与微观态
系统的宏观状态即为宏观态，系统内个体的不同分布状态即为微观态。
2．有序与无序
一个系统的个体按确定的规则，有顺序地排列即为有序；个体分布没有确定的要求，“怎么分布都可以”，即为无序。
3．熵和熵增加原理
(1)熵的定义：表达一个系统的无序程度的物理量。
(2)熵增加原理：在自发过程中，一个孤立系统的熵值总是不减少的。
4．熵和熵增加原理的理解
(1)熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样。系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大。
(2)系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少。也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。从熵的意义上来说，系统自发变化时，总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减小。
(3)任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。
5．热力学第二定律的微观意义
热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地在相反的方向上出现。它指出在能量得以平衡的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发生。自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的，宏观自发过程的这种方向性(熵增加的方向)，也就成为时间的方向性，所以，“熵”又常常被称为“时间箭头”。
　[多选]下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　　)
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小
[解析]　从热力学第二定律的微观本质看，一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行，我们知道热力学第二定律是一个统计规律，故A对，B、C错；任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是朝着熵增加的方向进行，故D对。
[答案]　AD
[规律方法]
有序及无序过程的判断
(1)解此类题目要理解好有序和无序，确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布是无序的。
(2)无序意味着各处平均没有差别；而有序则相反，是按照某种规则排列的，有序与无序是相对的。
[对点练清]
1．[多选]关于有序和无序、宏观态和微观态，下列说法正确的是(　　)
A．有序和无序是绝对的
B．一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态”
C．一个“宏观态”只能对应着唯一的“微观态”
D．无序意味着各处一样、平均、没有差别
解析：选BD　无序是各处都一样、平均、没有差别，故D项正确；有序和无序是相对的，故A项错误；一个“宏观态”可能对应一个或多个“微观态”，故B项正确，C项错误。
2．下列关于熵的说法中错误的是(　　)
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的
C．热力学第二定律也叫作熵减小原理
D．熵值越大代表越无序
解析：选C　一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义。系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程。自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理。因此A、B、D正确，C错误。
3．[多选]关于气体向真空中扩散规律的叙述中正确的是(　　)
A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C．扩散到真空中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大
D．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析：选ACD　气体分子向真空中扩散时，分子数越少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大；分子数越多，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A正确，B错误；扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观态最多，并且这一宏观态的无序性最大，C、D正确。
一、杯子摔碎了(科学思维)
一只完好的杯子从高处落到地上摔碎了(如图所示)，这是一个可逆过程还是不可逆过程？在这个过程中熵是增加还是减少？为什么？
提示：完好的杯子落到地上摔碎了，它不可能自发地恢复到原来的状态，此过程是一个不可逆过程，这个过程中杯子的无序程度增加了，所以熵增加了。
二、典题好题发掘，练典题做一当十
(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　　)
A．A端为冷端，B端为热端
B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D．该装置气体进出过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律
E．该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律
[解析]　依题意，中心部位为热运动速率较低的气体，与挡板碰撞后反弹，从A端流出，而边缘部位热运动速率较高的气体从B端流出；同种气体分子平均热运动速率较大，其对应的温度也就较高，所以A端为冷端，B端为热端，故A正确；依题意，A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，所以从A端流出的气体分子热运动平均速率小于从B端流出的，故B正确；从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能，内能的多少还与分子数有关，不能得出从A端流出的气体内能一定大于从B端流出的气体内能，故C错误；该装置将冷热气体进行分离，喷嘴处有高压，即通过外界做功而实现的，并非自发进行的，没有违背热力学第二定律；温度较低的从A端流出，温度较高的从B端流出，也符合能量守恒定律，故D错误，E正确。
[答案]　ABE
[课时跟踪训练]
A级—双基达标
1．关于能源的开发和利用，下列观点错误的是(　　)
A．无节制地利用能源，是一种盲目的短期行为
B．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的
C．能源的开发和利用，必须同时加强对环境的保护
D．不断开发新能源，是缓解能源危机的主要途径
解析：选B　能源是有限的，必须合理利用能源，A正确；尽管能量守恒，但使用过程中会有能量耗散及品质降低，B错误；能源利用推动人类进步的同时会破坏人类生存的环境，必须加强对环境的保护，C正确；开发新能源、清洁能源可以缓解常规能源的不足，D正确。
2．[多选]下列关于熵的说法中正确的是(　　)
A．熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高
B．熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高
C．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序
D．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序
解析：选AD　根据熵的意义可知，熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高。熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序，选项A、D正确。
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，故C对。
4．下列过程中，可能发生的是(　　)
A．某工作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，其内气体自发溢出后又自发跑进去，恢复原状
C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高
D．将两瓶不同液体自发混合，然后又自发地各自分开
解析：选C　根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些物理过程是可以实现的，故C项对；内能自发地全部转化为机械能是不可能的，故A项错；气体膨胀具有方向性，故B项错；扩散现象也有方向性，D项错。
5．[多选]根据热力学第二定律，下列判断正确的有(　　)
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电流的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变成电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
解析：选ACD　凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“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。由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的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，故燃气的内能必然不能全部变为电能，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，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主要思想，故D正确。
6．[多选]“绿水青山就是金山银山”，下述做法能改善空气质量的是(　　)
A．以煤等燃料作为主要生活燃料
B．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源
C．鼓励私人购买和使用普通汽车
D．用纯电动汽车代替燃油汽车
解析：选BD　以煤作为主要生活燃料会产生大量污染物，如：CO、CO2、SO2等有害气体，污染大气，温室效应、导致酸雨等环境问题，故A错误；利用太阳能、风能等替代化石能源可以减少有害气体的排放，解决能源问题的最佳方法是开发新能源(如风能、地热能、氢能、水能、核能、生物质能等)，故B正确；汽车尾气中含有氮氧化物和硫氧化物，会严重污染大气，汽车越多，则污染越严重，故C错误；使用电动汽车不会产生污染，故使用电动汽车代替燃油汽车能改善空气质量，故D正确。
7．PM2.5主要来自化石燃料、生物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高效利用能源。关于能源和能量，下列说法中正确的是(　　)
A．自然界中的石油、煤炭等能源可供人类永久使用
B．人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源
C．能量被使用后就消灭了，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
解析：选B　煤、石油虽然是当今人类利用的主要能源，但短期内不能从自然界得到补充，是不可再生能源，选项A错误；太阳能和风能等都是可再生能源且为清洁能源，应该尽量开发与利用，选项B正确；能量虽然守恒，但有些能量使用以后不能再被利用，所以要节约能源，但能量是不会减少的，也不会被消灭，只是形式发生转变，选项C、D错误。
8．[多选]根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是(　　)
A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体
C．机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能
解析：选BD　由热力学第二定律克劳修斯表述知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，当外界对系统做功时，也可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体，冰箱就是这样的装置，故A错误，B正确。机械能可以全部转化为内能，如在水平地面上运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终静止，这个过程中机械能全部转化为内能，当外界条件发生变化时，内能也可以全部转化为机械能，如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功，故C错误，D正确。
9.
如图所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，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，因此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
解析：选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。
10．下列说法中正确的是(　　)
A．无摩擦、无漏气等能量损失，就能使热机效率达到100%
B．热量不能从低温物体传到高温物体
C．一切物理过程都具有方向性
D．由热力学定律可推断出某个物理过程是否能自发进行
解析：选D　对任何热机在工作时都不可避免地要向冷凝器的周围环境散发热量，总有能量的损失，因此其效率无法达到100%；热量能从低温物体传到高温物体，但必须有外界的帮助；一切涉及热现象的物理过程都具有方向性；在热力学定律的基础上可以导出其他过程的方向性，如气体的扩散、气体向真空的膨胀等。
B级—选考提能
11．[多选]下列说法正确的是(　　)
A．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率，则B分布更无序
B．如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率，则A分布更无序
C．大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是可逆的
D．大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是不可逆的
解析：选AD　一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布的概率，则说明B分布更无序一些，A正确，B错误；大量分子的集合自发的运动过程是不可逆的，D正确，C错误。
12．[多选]下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是(　　)
A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开
B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开
C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%
解析：选BCD　热力学第二定律反映的是与热现象有关宏观过程的方向性的规律，A不属于热现象，故A错；由热力学第二定律可知B、C、D正确。
13．[多选]关于分子动理论和热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体
B．若两分子间距离增大，分子势能一定增大
C．一定质量的某种理想气体绝热膨胀，温度降低
D．热力学第二定律描述了宏观热现象的方向性
解析：选ACD　大量的事实表明，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，选项A正确；若两分子间距离从分子力表现为斥力时开始增加，则随着分子间距离增大，分子势能先减小后增大，选项B错误；由热力学第一定律可知，一定质量的某种理想气体绝热膨胀时对外做功，内能减小，温度降低，选项C正确；热力学第二定律指出，一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，选项D正确。
14．[多选]倒一杯热水，然后加入适量的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶，关于这个过程下列叙述正确的是(　　)
A．溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的
B．溶解过程是有序向无序转变的过程
C．结晶过程是有序向无序转变的过程
D．结晶过程不是自发的，因为有外界的影响
解析：选BD　溶解过程是自发的，是由有序向无序转变的过程；结晶过程不是自发的，通常是由于水温降低或水的蒸发引起，是由无序向有序的转变过程，故选项B、D正确，选项A、C错误。
15．[多选]可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，1 m3可燃冰可转化为164 m3的天然气和0.8 m3的水，下列关于可燃冰说法正确的是(　　)
A．“可燃冰”是不可再生能源
B．“可燃冰”属于可再生能源
C．1 m3可燃冰比0.8 m3水的质量小
D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多
解析：选AD　可燃冰是一次能源，还属于不可再生能源，故A正确，B错误；因1 m3可燃冰可转化为164 m3的天然气和0.8 m3的水，所以1 m3可燃冰的质量比0.8 m3水的质量大，故C错误；“可燃冰”的热值大于天然气的热值，相同体积的条件下，由Q＝qV可知，完全燃烧时可燃冰放出的热量多，故D正确。
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