1、4 4 热力学第二定律热力学第二定律 学科素养与目标要求 物理观念：1.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律.2.了解热力学第二定律 的两种不同表述，以及两种表述的物理实质.3.了解什么是第二类永动机，知道为什么它不能 制成 科学思维：能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向 性问题 一、热力学第二定律的克劳修斯表述 1热传导的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 2热力学第二定律的克劳修斯表述：德国物理学家克劳修斯在 1850 年提出：热量不能自发 地从低温物体传到高温物体热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的方向性 二、热力学第
2、二定律的开尔文表述 1热机 (1)热机工作的两个阶段： 第一个阶段是燃烧燃料， 把燃料中的化学能变成工作物质的内能 第 二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能 (2)热机的效率 ：热机输出的机械功与燃料产生的热量的比值，用公式表示为 W Q.热机的 效率不可能达到 100%. 2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(该表 述阐述了机械能与内能转化的方向性) 3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 (3)第二类永动机是不可能制成的 4第二类永动机 (1)定义：只从单一热库吸收热量，使
3、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 1判断下列说法的正误 (1)热量不会从低温物体传给高温物体( ) (2)机械能可以完全转化为内能，而内能不可能完全转化为机械能( ) (3)可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功( ) (4)第二类永动机违背了能量守恒定律( ) 2热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明热传递过程具有_冰箱工作 时， 能把冰箱内的热量传递到冰箱外， 这_(填“违
4、反”或“不违反”)热力学第二定律 答案 方向性 不违反 一、对热力学第二定律的两种理解 (1)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”？ (2)如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题： 制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？ 热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？ 答案 (1)不能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， 使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的 影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发 地进行的，需要消耗
5、电能 (2)不是 不能 1自然过程的方向性 (1)热传导具有方向性 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， 决不会自发地分开，成为两种不同的气体 (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，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)气体向真空膨胀具有方向
6、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”“单一热库”“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
7、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终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功， 以及热量从低温热库传到高温热库以外，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 特别提醒 (1)热力学第二定律的两种表述是等价的 (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 例 1 (多选)(2018 临沂市高二下期末)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到高温
8、物体 B在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体 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 答案 BD 解析 一切自发过程都有方向性，如热传导，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传向高温物体，故本题答案为 B、D. 例 2 (多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是( ) A不可能从单一热库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，只有单一的热库，
9、能将从单一热库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中，而不引起其他变化 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 答案 AD 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，A 选项正确，B 选项错误；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)，故 C 选项错误，D 选项正确 1
10、一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定均能实现 2 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 二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较 1两个定律比较 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式，在转化的过程中，总的能量保 持不变热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关的物理过程、化学 过程都具有不可逆性 2两
11、类永动机的比较 第一类永动机：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) 第二类永动机：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) 3第一类永动机和第二类永动机都不可能制成 第一类永动机的设想违背了能量守恒定律；第二类永动机的设想不违背能量守恒定律，但违 背了热力学第二定律 例 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内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生
12、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 答案 B 解析 热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，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 例 4 (多选)下列说法正确的是( ) A第一类永动机不可能制成，因为它违反了能量守恒定律 B第二类永动机不可能制成，因为它违反了能量守恒定律 C热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的 D热力学第二定律的两种表述是等价的 答案 ACD 解析 第一类永动机工作时，不消
13、耗任何能量却能够源源不断地对外输出能量，这显然违背 了能量守恒定律，故 A 项正确；第二类永动机不可能制成是因为自然界的一切宏观自发过程 都具有方向性，它不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，故 B 项不正确；热力学第 二定律有几种不同的表述形式， 但它们是等价的， 它与热力学第一定律是相互独立的， 故 C、 D 两项正确 1(宏观过程的方向性)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空调机既能制冷又能制热，说明热传递不存在方向性 答案 C 解析 摩擦生热的过程是不可
14、逆的，故 A 错误能量守恒具有单向性，一般是不可逆，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；空调机既能制冷又能 制热， 并不能说明热传递不存在方向性， 而是在反向时， 要引起其他方面的变化， 故 D 错误 2(对热力学第二定律的理解)(多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是( ) A电能不可能全部变为内能 B在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能 C热机中，燃气内能不可能全部变为机械能 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 答案 BCD 解析 根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电能可全部变 为内能(由焦耳
15、定律可知)，而内能不可能全部变成电能，而不产生其他影响机械能可全部 变为内能，而内能不可能全部变成机械能在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给 低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体 3(对热力学第二定律的理解)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是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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成功是可能的 答案 D 解析 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
16、为它违背了 热力学第二定律，故 B 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 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 4(对热力学第一定律和第二定律的理解)(多选)下列叙述正确的是( ) A做功和热传递在改变物体内能的效果上是一样的，但是从能量转化的方面看二者是有本 质区别的 B因为第一类永动机和第二类永动机都违反了能量守恒定律，所以都不能制成 C热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的一种具体表现形式 D热力学第二定律阐述了一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性 答案 ACD 解析 做功和热传递在改变内能的效果上是等效的，但做功是能量的转化，热传递是能量的 转移，A 正确；第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律；第二类永动机 不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，内能与机械能之间的转化具有方向性才是 第二类永动机不可能制成的原因，B 错误；热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的一 种具体表现形式， C 正确； 热力学第二定律说明一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性， D 正确