3.4 热力学第二定律 课前导学 2024-2025学年人教版（2019）高中物理选择性必修第三册

3.4 热力学第二定律
基础知识导学
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．
(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．
基础小题试练
1.对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是( )
A.绝热膨胀过程中，气体分子的平均动能增大
B.等温压缩过程中，气体向外界放出热量
C.等压膨胀过程中，气体的内能可能不变
D.从高温热库吸收热量使之完全变成功是无法实现的
2.人类不但掌握了精准测温控温的方法，还可以人工产生高热和深冷，在高热和深冷的“世界”里不断发现新的科学奇迹，下列关于热力学定律的说法正确的是( )
A.外界对物体做功，物体的内能必定增加
B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能自发的进行
D.可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功而不引起其他影响
3.根据热力学定律，下列说法正确的是( )
A.空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量多于向室外放出的热量
B.电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律，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.对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”
D.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机
4.如图所示，内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将气缸缓慢转动90°过程中，缸内气体( )
A.内能增加，外界对气体做正功
B.内能减小，所有分子热运动速率都减小
C.温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少
D.温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加
5.如图所示，一定质量的理想气体从状态A沿图线变化到状态B、状态C、状态D再回到状态A，AD、BC的延长线过坐标原点，AB图线与横轴平行，CD图线与纵轴平行，则下列判断错误的是( )
A.从A到B过程，气体的内能在减小
B.从B到C过程，单位时间内撞击到容器壁单位面积上的分子数减少
C.从C到D过程，气体压强增大是因为气体分子的平均动能增大
D.从D到A过程，气体吸收的热量等于气体对外做的功
答案以及解析
1.答案：B
解析：绝热膨胀过程中，气体对外界做功，无热量交换，由热力学第一定律可知，气体内能减少，温度降低，故气体分子的平均动能减小，A错误；等温压缩过程中，外界对气体做功，气体内能不变，由热力学第一定律可知，气体向外界放出热量，B正确；等压膨胀过程中，由可知，气体温度升高，内能增大，C错误；由热力学第二定律可知，可以从单一热库吸收热量使之完全变成功，但会产生其他影响，D错误。
2.答案：B
解析：A.外界对物体做功，若同时物体放出热量，物体的内能可能减小，故A错误；
BC.根据热力学第二定律可知，一切与热现象有关的自然过程都是不可逆的，比如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，即符合能量守恒定律的宏观过程不一定能自发的进行，故B正确，C错误；
D.根据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，使之完全变成功，而不产生其他影响，故D错误。
故选B。
3.答案：B
解析：A.空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量，因为电能也部分转化为热能，故A错误;B.热量可以从低温物体向高温物体传递，但要引起其他变化，电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律，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，故B正确;C.对能源的过度消耗将形成能源危机，但自然界的总能量守恒，故C错误；D.根据热力学第二定律知，科技的进步不可能使内燃机成为单一的热源热机，故D错误。故选B。
4.答案：C
解析：初始时气体的压强，体积为，温度为；将气缸缓慢转过90°后，气体的压强为，体积为，温度为。易知，故气体对外界做功，因气缸和活塞都是绝热的，根据热力学第一定律可得，由于理想气体内能只与气体温度有关，所以，AD错误。内能减小，不是所有气体分子热运动速率都减小，但速率大的分子数占总分子数的比例减小，B错误，C正确。
5.答案：D
解析：A.从A到B过程，气体的压强不变，体积减小，则温度降低，则内能在减小，选项A正确，不符合题意；
B.从B到C过程，气体的压强减小，体积变大，温度不变，则分子平均速率不变，分子数密度减小，则单位时间内撞击到容器壁单位面积上的分子数减少，选项B正确，不符合题意；
C.从C到D过程，气体体积不变，压强增大，温度升高，则是因为气体分子的平均动能增大，选项C正确，不符合题意；
D.从D到A过程，气体温度不变，内能不变，体积减小，则外界对气体做功且放出热量，因内能不变，则气体放出的热量等于外界对气体做的功，选项D错误，符合题意。
故选D。