第三章　4　热力学第二定律 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

4　热力学第二定律
[学习目标]　
1.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(重点)。
2.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(难点)。
3.理解能量耗散，知道能源是有限的。
一、热力学第二定律
一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看， 扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？这说明了什么？
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1．热现象的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是________的，即与热现象有关的宏观自然过程有________性。
2．热力学第二定律的克劳修斯表述：
热量不能________地从____温物体传到____温物体。阐述的是传热的________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__________变成工作物质的________；第二个阶段是工作物质对外________，把自己的内能变成__________。
②热机用于做功的热量一定________它从高温热库吸收的热量，即W______Q。
(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____________，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_______(选填“等价”或“不等价”)的。
5．热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的________。
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：
(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？
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(2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用于做功？
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(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。(　　)
(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)热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。(　　)
例1　根据热力学第二定律，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，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．如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到100%
例2　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
1．一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循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 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
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
例3　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，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能
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，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
例4　(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
三、能源是有限的
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守恒，但能量的品质下降了，________减少了。
1．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？
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2．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？
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例5　下列说法正确的是(　　)
A．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
B．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源
C．自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性
D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质提升了
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。
4　热力学第二定律
[学习目标]　1.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(重点)。2.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(难点)。3.理解能量耗散，知道能源是有限的。
一、热力学第二定律
一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看， 扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？这说明了什么？
答案　不能，说明扩散有方向性。
1．热现象的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即与热现象有关的宏观自然过程有方向性。
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(选填“等价”或“不等价”)的。
5．热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的方向性。
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：
(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)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用于做功？
答案　(1)不是，热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。
(2)不能，热机工作时只能将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热库。
(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。(　√　)
(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)热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。(　√　)
例1　根据热力学第二定律，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，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．如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到100%
答案　A
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；传热过程也具有方向性，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)，C选项错误；热机效率无法达到100%，D选项错误。
例2　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
答案　C
解析　根据热力学第二定律，热量自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误；气体膨胀具有方向性，不能自发逸出又自发跑进去，使其恢复原状，B错误；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，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可以实现的，C正确；扩散现象有方向性，因此混合后不能自发地各自分开，D错误。
1．一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循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 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
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
例3　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，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能
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，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
答案　D
解析　第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背了热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q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。
例4　(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
答案　B　C
解析　A项符合热力学第一、第二定律。冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或温度都不变，B项描述违背了热力学第一定律。C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。D项中冰箱消耗电能从而可以从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。
三、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守恒，但能量的品质下降了，能源减少了。
1．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？
答案　内能。
2．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？
答案　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。
例5　下列说法正确的是(　　)
A．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
B．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源
C．自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性
D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质提升了
答案　C
解析　根据能量守恒定律，能量是不能被创造的，选项A错误；在能源的利用过程中，虽然能量在数量上并未减少，但是能源的品质在降低，所以还需要节约能源，选项B错误；根据热力学第二定律可知，自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性，选项C正确；能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质降低了，选项D错误。
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。