第三章热力学定律
第4节热力学第二定律
1、了解热力学第二定律的发展简史，
2、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成。
3、了解热传导的方向性，
4、了解热力学第二定律的两种表述方法，以及这两种表述的物理实质，
5、了解什么是能量耗散
知识点一、热力学第二定律
(1)热力学第二定律常见的两种表述：
①按热传递的方向性来表述：不可能使热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。——克劳修斯表述，这是按热传递的方向性来表述的。
②按机械能与内能转化过程的方向性来表述：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。——开尔文表述，这是按机械能与内能转化过程的方向来表述的。
(2)两种表述是等价的。
可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。
(3)热力学第二定律的意义
揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，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，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。
点睛：热力学第二定律的适用范围
①适用于宏观过程，对微观过程不适用；
②孤立系统有限范围，对整个宇宙不适用。
知识点二、热力学第二定律的理解
(1)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。
我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的那样的宏观态。自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向着无序发展的。
(2)熵
①“熵”的名称是由德国物理学家道尔夫·克劳修斯于1868年提出来的，它代表着宇宙中不能再被转化做功的能量的总和的测定单位，即熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。
熵和系统内能一样，都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
②热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为Ω 。
③熵与热力学几率的关系：S＝kln Ω，k是波尔兹曼常数。
④熵增加原理：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。因此热力学第二定律也叫做熵增加原理。
(3)热力学第二定律的统计意见
从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡，从熵小的状态向熵大的状态发展。
知识点三、能源是有限的
(1)能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
(2)能源是指具有高品质的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等。
(3)能源的使用过程中，虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。
(4)能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
1．人们采用“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射照度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为。又知地球半径约为。试根据上述数据估算一下太阳每秒辐射到地球的总能量。
【答案】
【详解】
由题意可知太阳常数的标准值
垂直于太阳辐射光的地球的有效面积
故每秒辐射到地球的总能量
2．如图所示，竖直放置的圆柱形气缸由上下两部分组成，上面部分横截面为4S，下面部分横截面为S，两部分高度均为H，气缸顶部导热良好，其余部分绝热。气缸内有一质量为的绝热活塞，将气缸内的理想气体分成上下两部分，初始时两部分气体压强均为p0，温度均为T0。现用电热丝对下面部分气体缓慢加热，并保证上面部分气体温度保持T0不变，不计活塞与气缸之间的摩擦，重力加速度为g。求：
（1）活塞刚离开MN、PQ时下面部分气体的温度T1；
（2）当活塞升高时下面部分气体的温度T2。
【答案】（1）；（2）
【详解】
（1）活塞对MN、PQ压力为零时下部分气体的压强p满足
由查理定律可得
上两式联立解得
（2）当活塞升高时，对上面部分气体
对活塞，由平衡条件
对下面部分气体
解得
1．根据热力学定律，下列说法正确的是（ ）
A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成
B．效率为100%的热机是不可能制成的
C．电冰箱的工作过程表明，热量可以自发地从低温物体向高温物体传递
D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段
【答案】B
【详解】A．第二类永动机违反了热力学第二定律，因此不可能制成，故A错误；
B．效率为100%的热机是不可能制成的，故B正确；
C．电冰箱通过消耗电能才能把热量从低温的箱体内转移到温度较高的箱体外，故C错误；
D．从单一热源吸收热量，不可能使之完全变为有用功，故D错误。
故选B。
2．下列说法正确的是（ ）
A．随着科技的进可以使温度降低到零下300摄氏度
B．相对湿度越小，人感觉越潮湿
C．液体与固体是否浸润，是由固体的材料决定
D．露珠呈球形是由于液体表面张力的作用
【答案】D
【详解】A．根据热力学第三定律，绝对零度不可达，也就是零下273.15℃不可达，零下300摄氏度根本不存在，A错误；
B．相对湿度越小，人感觉越干燥，B错误；
C．液体与固体是否浸润，是由固体的材料和液体的性质决定，不仅仅由固体的材料决定，C错误；
D．露珠呈球形是由于液体表面张力的作用，D正确。
故选D。
3．关于能量的转化，下列说法中正确的是（ ）
A．摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的
B．空调既能制热又能制冷说明热传递不存在方向性
C．永动机不存在的原因是能量在某些特殊情况下是不守恒的
D．由于能量的转化过程符合守恒定律，所以不会发生能源危机
【答案】A
【详解】A．根据热力学第二定律可知，摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的，A正确；
B．空调既能制热又能制冷，但是消耗电能，说明在不自发地条件下热传递方向可以逆向，不违背热力学第二定律，B错误；
C．永动机不存在的原因是违背了能量守恒定律，C错误；
D．由于能量转移或转化是有方向性的，虽然能量守恒，但是还会产生能源危机，D错误。
故选A。
4．下列说法中错误的是（ ）
A．温度越高布朗运动越剧烈，说明液体分子的热运动与温度有关
B．对于一定质量的理想气体，温度升高，气体内能一定增大
C．气体总是充满容器，说明气体分子间只存在斥力
D．热量可以从低温物体传递到高温物体
【答案】C
【详解】A．布朗运动说明了液体分子永不停息地做无规则运动。温度越高布朗运动越剧烈，说明液
体分子的热运动与温度有关。故A正确；
B．对于一定质量的理想气体，分子势能忽略不计，气体的内能包含分子动能，温度升高分子的平均动能增大，气体内能一定增大。故B正确；
C．气体总是充满容器，是分子气体分子做永不停息的热运动的结果，并不能够说明气体分子间存在斥力。故C错误；
D．根据热力学第二定律，热量可以从低温物体传递到高温物体，但会引起其它的一些变化。故D正确；
本题选择错误的，故选C。
5．煤、石油、水能、生物能的共同点是（ ）
A．都是来自太阳辐射的能量 B．都是可再生常规能源
C．都是不可再生的能源 D．都是二次能源
【答案】A
【详解】煤、石油、水能、生物能的共同点是都是来自太阳辐射的能量，煤和石油都是不可再生能源，而水能和生物能是可再生能源；从自然界直接获取的能源为一次能源，煤、石油和水能可以从自然界里直接得到，属于一次能源。
故选A。
6．热传导的规律为（ ）
A．热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体
B．热量总是从温度较高的物体传递给温度较低的物体
C．热量总是从内能较多的物体传递给内能较少的物体
D．热量总是从比热容较大的物体传递给比热容较小的物体
【答案】B
【详解】AB．热量总是自发的从温度高的物体传递给温度低的物体；也可以从温度低的物体传递到温度高度的物体，但引起其它的变化；不能说热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体，故A错误，B正确；
C．热量总是从温度高的物体传递到温度低的物体，与内能多少没有关系，故C错误；
D．热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体，和物体的比热容没有关系，故D错误。
故选B。
7．以下关于热运动的说法中正确的是（ ）
A．做功只能改变物体的机械能而热传递只能改变物体的内能
B．自然界中可以存在上万度的高温，但低温的极限是0开
C．凡是能量守恒的过程一定能够自发地发生
D．布朗运动是分子永不停息的无规则热运动
【答案】B
【详解】A．做功是能量的转化，热传递是能量的转移，这两者在改变物体内能方面是等效的，A错误；
B．热力学第三定律的内容是绝对零度永远无法达到，B正确；
C．一个过程同时要满足能量守恒定律和热力学第二定律才可发生，比如热量不能自发的从低温物体传递到高温物体，C错误；
D．布朗运动是悬浮颗粒受到周围液体分子或气体分子撞击不平衡产生的无规则运动，不是分子的无规则运动，D错误。
故选B。
8．如图所示，绝热的汽缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分，活塞质量不计，活塞用销钉锁住，活塞与汽缸之间没有摩擦，汽虹左边装有一定质量的理想气体，右边为真空，现在拔去销钉，抽去活塞，让气体向右边的真空做绝热自由膨胀，下列说法正确的是（ ）
A．气体在向真空膨胀的过程中对外做功，气体内能减少
B．气体在向真空膨胀的过程中，分子平均动能变小
C．气体在向真空膨胀的过程中，气体内能增加
D．若无外界的干预，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空
【答案】D
【详解】
ABC．气体在向右边的真空膨胀的过程中没有力的作用，所以气体不做功，即W=0，绝热过程，Q=0，根据热力学第一定律
可知
所以气体内能不变，温度不变，分子的平均动能不变，故ABC错误；
D．无外界的干预，根据热力学第二定律可知，涉及热现象的宏观过程具有方向性，因此，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空，故D正确。
故选D。第三章 热力学定律
4 热力学第二定律
1.通过自然界中客观过程的方向性，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.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.
4.认识能量耗散，知道能源是有限的．
一、热力学第二定律
1．定义：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．阐述的是传热的方向性．
3．热力学第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热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W(2)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．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)．
4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的．(选填“等价”或“不等价”)
5．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
物体在地面上运动，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．
6．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．
二、能源是有限的
1．能源：具有高品质的容易利用的储能物质．
2．能量耗散：使用的能源转化成内能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，但能量的品质下降了，能源减少了．
4．能量与能源的区别
（1）能量是守恒的，既不会增加也不会减少．
（2）能源是能够提供可利用能量的物质．
（3）能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源．
三、热力学第一定律和热力学第二定律的比较
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、化学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 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，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(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)
不可能制成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
一、单选题
1．下列说法中正确的是（ ）
A．就改变物体内能来说做功和热传递是两种相同的方式
B．只要制造出足够小的温度计就能测出个别分子的温度
C．要使变化了的系统重新恢复到原来的状态，一定会对外界产生无法消除的影响
D．两种不同的液体在一个容器中能够自发地混合，然后又自发地各自分开
2．下列说法正确的是（ ）
A．体积和温度都相同的气体，内能一定相同
B．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加
C．一切过程都是向着分子热运动无序性增大的方向进行的
D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段
3．关于热力学定律，下列说法正确的是（ ）
A．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功
B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加
C．为了增加物体的内能，只能向它传递热量
D．不可能使热量从低温物体传向高温物体
4．关于热现象和热学规律，下列说法正确的是（ ）
A．只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，就可以算出每个气体分子的体积
B．一定质量的理想气体温度升高，产生的压强一定增大
C．温度一定时，悬浮在液体中的固体颗粒越大，布朗运动越明显
D．第二类永动机不可能制成是因为它违反了热力学第二定律
5．如图所示，绝热的汽缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分，活塞质量不计，活塞用销钉锁住，活塞与汽缸之间没有摩擦，汽缸左边装有一定质量的理想气体，右边为真空，现在拔去销钉，抽去活塞，让气体向右边的真空做绝热自由膨胀，下列说法正确的是（ ）
A．气体在向真空膨胀的过程中对外做功，气体内能减少
B．气体在向真空膨胀的过程中，分子平均动能变小
C．气体在向真空膨胀的过程中，系统的熵不可能增加
D．若无外界的干预，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空
6．下列现象可以用热力学第一定律解释的是（ ）
A．两物体接触后，热量自发地从高温物体传递到低温物体
B．蒸汽机不能把蒸汽的内能全部转化为机械能
C．叶片搅拌绝热容器中的水，引起水温升高
D．利用能源的过程中会发生“能量耗散”现象
二、填空题
7．如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经状态B、C和D后回到状态A，图中曲线AB、CD为反比例函数图线，直线BC平行于V轴，直线DA平行于p轴。该理想气体经过的A→B、B→C、C→D、D→A四个过程中，气体吸热的过程有______；外界对气体做功的过程有______；气体内能减少的过程有______；吸收热量等于气体对外界做功的过程有______。
8．如图所示是表示光电池工作原理的示意图：当太阳光照射到组成光电池的叠在一起的两片不同的半导体的表面时，将会产生光电效应，从而使电路中产生电流，从能量转化的角度看，光电池是将______能转化为______能的装置。太阳能是21世纪重点开发利用的能源之一。太阳能动力车是利用太阳能电池将接收到的太阳能转化为电能，再利用电动机将______能转化为______能来驱动的一种新型机动车。
参考答案
1．C
【详解】
A.做功是能量转化，热传递是能量转移，故A错误；
B.温度是大量分子无规则运动的宏观表现，一个分子的温度没有意义，也就无法测量，故B错误；
C.根据热力学第二定律可知，要使变化了的系统重新恢复到原来的状态，一定会对外界产生无法消除的影响，故C正确；
D.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，两种不同的液体在一个容器中能够自发地混合，但是不能自发的分开，故D错误。
故选C。
2．B
【详解】
A．体积和温度都相同的气体，内能不一定相同，还和气体的种类有关，故A错误；
B．根据理想气体状态方程
可知，一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，温度升高，而一定量的理想气体得内能仅仅与温度有关，所以气体的内能一定增加，故B正确；
C．根据熵增原理可知，一切自发的热学过程都是向着分子热运动无序性增大的方向进行。故C错误；
D．根据热力学第二定律，不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，所以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，故D错误。
故选B。
3．A
【详解】
A．不可能从单一热源吸收热使之完全变为功而不引起其它变化，如果引起其它变化，可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，故A正确；
BC．做功和热传递是改变物体内能的两种方法，由热力学第一定律知：为了增加物体的内能，可以对物体做功或向它传递热量，单独的对物体做功，内能不一定增加，故BC错误；
D．根据热力学第二定律，不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体，但在外界的作用下，能使热量从低温物体传向高温物体，比如电冰箱，故D错误。
故选A。
4．D
【详解】
A．只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，就可以算出气体的分子所占据的空间大小，不能算出气体分子体积，A错误；
B．根据理想气体状态方程可知温度升高，压强不一定增大，B错误；
C．温度一定时，悬浮在液体中的固体颗粒越小，同一时刻撞击颗粒的液体分子数越少，冲力越不平衡，布朗运动越明显，C错误；
D．第二类永动机不可能制成的原因是因为其违背了热力学第二定律，D正确。
故选D。
5．D
【详解】
A．由于活塞质量不计，右边为真空，所以气体膨胀时不做功。A错误；
B．气体在向真空膨胀的过程中，不做功，不交换热量，内能不变，故温度不变，分子平均动能不变。B错误；
C．气体在向真空膨胀的过程中，无序性在增加，系统的熵在增加。C错误；
D．若无外界的干预，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空。D正确。
故选D。
6．C
【详解】
A．根据热力学第二定律，两物体接触后，热量自发地从高温物体传递到低温物体，A错误；
B．根据热力学第二定律，蒸汽机不能把蒸汽的内能全部转化为机械能而不引起其它变化，B错误；
C．根据热力学第一定律，叶片搅拌绝热容器中的水，引起水温升高，C正确；
D．根据热力学第二定律，利用能源的过程中会发生“能量耗散”现象，D错误。
故选C。
7． 、
【详解】
[1][2][3][4]从图象中确定气体各种状态参量变化的对应关系，再根据热力学第一定律和理想气体实验定律求解。
为等温变化，有
体积减小，外界对气体做功
根据热力学第一定律
得
气体对外放热。
为等压变化过程，温度T升高，内能增加
体积增大，气体对外界做功，即
根据热力学第一定律
气体从外界吸热。
为等温变化过程
体积增大，气体对外界做功，即
根据热力学第一定律
得
气体从外界吸热。
为等容变化过程，压强减小，根据查理定律
可知，温度T下降，内能减少，有
体积不变，气体不做功，即
据热力学第一定律
气体对外放热。
8．太阳 电 电 机械
【详解】
[1][2]从能量转化的角度看，光电池是将太阳能转化为电能的装置。
[3][4]太阳能动力车是利用太阳能电池将接收到的太阳能转化为电能，再利用电动机将电能转化为机械能来驱动的一种新型机动车。
试卷第1页，总3页
