4．热力学第二定律
[学习任务] 任务1．了解传热、扩散现象、机械能与内能的转化等过程都具有方向性。知道具有方向性的过程是不可逆的。
任务2．了解热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因。
任务3．能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移反方向性问题，并能解决一些实际问题。
任务4．了解能量与能源的区别以及能源的有限性。
[问题初探] 问题1．什么叫可逆过程？什么叫不可逆过程？
问题2．热现象的方向性含义是什么？
问题3．既然能量守恒，为什么还要节约能源？
问题4．气体向真空的自由膨胀可逆吗？
[思维导图]
热力学第二定律
[链接教材] 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？这说明扩散现象有什么特点？
提示：不能；扩散现象具有方向性，是不可逆的。
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
(1)传热的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
(2)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有方向性。
2．热力学第二定律的开尔文表述
(1)热机
①热机的工作分为两个阶段：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＜Q。
(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)热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。
覆水难收；破镜难圆；水从高山流到河谷，不可能自己再返回高山；一滴墨水滴入一杯清水，会均匀地扩散开来，不可能再自动地凝成一滴墨水……
问题1．这些现象说明了什么道理？
问题2．热量能否从温度低的物体传递给温度高的物体？
提示：1．自然界的与热现象有关的宏观自然过程不可能自发地逆向进行。
2．能，但是需要第三方的介入。
1．对热力学第二定律的理解
(1)克劳修斯表述中“自发”的含义：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入，不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从高温物体传到低温物体。“自发”的方向是从高温物体指向低温物体。
(2)开尔文表述中“不可能从单一热库吸收热量”的含义：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。即热机工作时须有高温热库和低温热库。
(3)开尔文表述中“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。
2．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的两种表述是等价的，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A、B
【典例1】 (对热力学第二定律的理解)(多选)下列现象中能够发生的是( )
A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能
C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离
D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体
CD [一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热，蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，都违背了热力学第二定律，故不能发生，A、B错误；泥、水分离是由于重力作用，能够发生，C正确；由热力学第二定律可知，电冰箱通电后把热量由低温物体传到高温物体是可以通过消耗电能的方式实现的，故能够发生，D正确。]
【典例2】 (对热力学第二定律的理解)如图所示，两种不同的金属丝组成一个回路，接触头1置于热水杯中，接触头2置于冷水杯中，此时回路中电流计指针发生偏转，这是温差电现象。假设此过程电流做功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得( )
A．Q1＝W B．Q1＞W
C．Q1＜Q2 D．Q1＋Q2＝W
B [根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他影响，所以从热水中吸收的热量Q1应该大于电流做的功W，即Q1>W，A错误，B正确；根据能量守恒定律和热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分是电能W，另一部分是冷水吸收的热量Q2，即Q1＝Q2＋W，C、D错误。]
应用热力学第二定律解决问题时的两个关键点
(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不需要借助其他物体提供能量等。
(2)“不产生其他影响”的含义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热库吸收热量全部用来做功，必须通过第三者的帮助，这里的帮助是指做功或提供能量等方式，否则是不可能实现的。
【教用·备选例题】
地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018 t，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023 J的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不可能制成的，其原因是( )
A．内能不可以转化成机械能
B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律
D．上述三种原因都不正确
C [内能可以转化成机械能，如热机，选项A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，选项B错误；热力学第二定律告诉我们：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，选项C正确，D错误。]
热力学第一定律和热力学第二定律的比较
1．第一类永动机和第二类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
特点 不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功 从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响
不可能制成的原因 违背能量守恒定律 不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律
2．热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系
热力学第一定律 热力学第二定律
区别 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了凭空产生能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 热力学第二定律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 两定律都是热力学基本定律，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，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
【典例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反了热力学第一定律
B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
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
D [第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，选项A、B错误；由热力学第一定律可知，W≠0，Q≠0时ΔU＝W＋Q可以等于零，选项C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但必然引起其他变化，选项D正确。]
【典例4】 (多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的是( )
A．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减少
B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的
C．热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成
D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”
ABC [一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，则Q＝0，W<0，根据ΔU＝W＋Q可知，气体的内能减少，故A正确；热力学第二定律表明，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确；热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成，故C正确；热力学第二定律可描述为“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”，故D错误。]
能源是有限的
1．能量的转移和转化具有方向性：在各种生产生活中，人们利用的各种形式的能最终都转化成内能流散到周围的环境中。
2．能量耗散
根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
3．能源：指具有高品质的容易利用的储能物质。
水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石头制成，分上下两片，呈圆形。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磨盘和粮食等的内能。
问题1．分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？
问题2．这些内能最终流散到周围的环境中，但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？
提示：1．做功。
2．内能品质低。
【典例5】 抽水蓄能电站结构如图所示，抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水蓄能电站，下列说法正确的是( )
A．抽水蓄能的过程中，能量守恒
B．放水发电的过程中，机械能守恒
C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了
A [抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，故A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为电能，机械能不守恒，故B错误；抽水蓄能、放水发电过程，总的能量保持不变，并不能使能量增多，故C错误；抽水蓄能电站能够合理调节用电高峰期和低谷期的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我们仍面临着能源危机，还需节约能源，故D错误。]
1．下列现象属于能量耗散的是( )
A．利用水能发电将水能转化为电能
B．电池的化学能转化为电能
C．电流通过电阻丝将电能转化为光能
D．火炉把房子烤暖
D [能量耗散是指其他形式的能转变为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的过程。本题中的电能、光能都可以重新收集并加以利用。火炉把房子烤暖使燃料的化学能转变成内能并流散在周围的环境中，难以重新收集并加以利用，是能量耗散，故本题选D。]
2．关于热力学第二定律，下列说法不正确的是( )
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．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性
C．热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体
D．热机的效率不可能达到100%
A [第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律，并没有违背热力学第一定律，故A错误；自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，即不可逆，故B正确；根据热力学第二定律知，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，故C正确；热力学第二定律可表述为不可能从单一热源吸收热量，使之全部变成功而不产生其他影响，所以热机效率不可能达到100%，故D正确。]
3．将一件裙子放进死海，3年后成了一件精美的艺术品。其形成原因是海水中的盐，不断在衣服表面结晶所产生的。根据这一现象下列说法不正确的是( )
A．结晶过程看似是自发的，其实要受到环境的影响
B．结晶过程是无序向有序转变的过程
C．盐在溶解的过程中熵是增加的
D．这件艺术品被精心保存在充满惰性气体的密闭橱窗里，可视为孤立系统，经过很长时间后，该艺术品的熵可能减小
D [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，受到环境的影响，是由无序向有序的转变过程，故A、B正确；盐在溶解是固态变为液态，是自发过程，自发过程是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，即熵增加，故C正确；孤立系统的熵永不减小，故D错误。本题选错误项，故选D。]
4．(2022·广东卷)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，通过压缩机做功，消耗了能量，因此这个过程不是自发过程；根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热，使之完全转化为有用的功，而不产生其他影响，因此空调把热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外，还需有外力做功，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
回归本节知识，完成以下问题：
1．“由热力学第二定律可知，一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。”这种说法正确吗，为什么？
提示：错误。应该是一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。如果有外加因素，如冰箱，就可以把热量由低温物体传到高温物体。
2．第二类永动机与第一类永动机的区别是什么？它为什么不能实现？
提示：第二类永动机是从单一热源吸收的热量可以全部用来做功，而不引起其他变化的机器，即效率η＝100%的机器。第一类永动机是指不消耗任何能量就能永远运动下去的机器，它违反了能量守恒定律。
第二类永动机不能实现的原因：违背了热力学第二定律，但没有违背能量守恒定律。
3．由能量守恒可知，能量在转化和转移的过程中，总能量是不变的，那么为什么我们还要节约能源呢？
提示：能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，所以要节约能源。
课时分层作业(十二)
?题组一 热力学第二定律
1．(多选)关于自然过程的方向性，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．实际的宏观自发过程都具有“单向性”或“不可逆性”
D．气体的自由膨胀是不可逆过程
CD [机械能和内能的转化过程具有方向性，所以摩擦生热的过程是不可逆的，故A错误；实际的宏观自发过程都符合能量守恒定律，具有“单向性”或“不可逆性”，故B错误，C正确；气体自由膨胀的过程具有方向性，是不可逆过程，故D正确。]
2．(多选)根据热力学第二定律，下列说法正确的是( )
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，能从单一热库吸收热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以制成的
C．制冷系统可将冰箱里的热量传到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到高温物体，而不引起其他变化
AD [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，内能却不能全部转化为机械能而不引起其他变化，选项A正确，B错误；热传导过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，但要从低温物体传到高温物体，必然会引起其他变化(外界对系统做功)，选项C错误，D正确。]
3．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，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
D [由于活塞质量不计，右边为真空，气体向真空膨胀时不做功，A错误；气体膨胀时，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；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；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。]
?题组二 热力学第一定律和热力学第二定律的比较
4．(多选)关于热力学的两个定律，下列说法正确的是( )
A．一切物理过程都不可能自发地进行
B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
C．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能是可能的
D．做功可以改变物体的内能，热传递也可以改变物体的内能，同时做功和热传递一定会改变物体的内能
BC [根据热力学第二定律，一部分物理过程可以自发进行，故A错误；根据热力学第二定律可知，物体不可能从单一热源吸热，并全部用来对外做功而不引起其他变化，若引起外界变化则可以，故B正确；根据热力学第二定律可知，利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在理论上是可行的，故C正确；做功可以改变物体的内能，热传递也可以改变物体的内能，但同时做功和热传递不一定会改变物体的内能，比如物体吸收热量的同时对外做功，内能不一定改变，故D错误。]
5．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．能量守恒定律包含了热力学第一定律和热力学第二定律
B [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，B正确，A、C、D错误。]
?题组三 能源是有限的
6．(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、重新加以利用的现象。下列关于能量耗散的说法正确的是( )
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方向性
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，符合热力学第二定律，C、D正确。]
7．关于能源和能量，下列说法正确的是( )
A．随着科技的发展，第二类永动机是可以制成的
B．能量被使用后就消失了，所以要节约资源
C．能量的耗散反映出自然界宏观过程的方向性
D．自然界的石油、煤炭等资源可供人类永久使用
C [第二类永动机违背了热力学第二定律，所以即使科技发展，第二类永动机也是不可以制成的，A错误；能量是守恒的，能量使用后可能散失到自然界而无法收集，所以要节约能源，B错误；根据热力学第二定律可知，自然宏观过程自发进行是有方向性的，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，C正确；自然界中石油、煤炭等能源是不可再生能源，都是有限的，不可能供人类永久使用，D错误。]
8．热力学第二定律常见的表述方式有两种，其一是：热量不能自发地从低温物体传到高温物体；其二是：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。第一种表述方式可以用右图来表示，根据你对第二种表述的理解，如果也用类似的示意图来表示，你认为下列示意图中正确的是( )
A B C D
B [由题图可知，使热量由低温物体传递到高温物体必伴随着制冷机的做功，即不是自发的过程，对于第二种表述，热机工作时，从高温物体吸收热量，只有一部分用来对外做功，转变为机械能，另一部分热量要传递给低温物体，故选项B正确，A、C、D错误。]
9．(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图，压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外，下列说法正确的是( )
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．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．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
BC [热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；根据热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于外界做功，故A错误，B正确。]
10．(2024·浙江1月选考)如图所示，一个固定在水平面上的绝热容器被隔板A分成体积均为V1＝750 cm3的左右两部分。面积为S＝100 cm2的绝热活塞B被锁定，隔板A的左侧为真空，右侧中一定质量的理想气体处于温度T1＝300 K、压强p1＝2.04×105 Pa的状态1。抽取隔板A，右侧中的气体就会扩散到左侧中，最终达到状态2。然后解锁活塞B，同时施加水平恒力F，仍使其保持静止，当电阻丝C加热时，活塞B能缓慢滑动(无摩擦)，使气体达到温度T2＝350 K的状态3，气体内能增加ΔU＝63.8 J。已知大气压强p0＝1.01×105 Pa，隔板厚度不计。
(1)气体从状态1到状态2是________(选填“可逆”或“不可逆”)过程，分子平均动能________(选填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)求水平恒力F的大小。
(3)求电阻丝C放出的热量Q。
[解析] (1)根据热力学第二定律可知，气体从状态1到状态2是不可逆过程，由于隔板A的左侧为真空，可知气体从状态1到状态2，气体不做功，又没有发生热传递，所以气体的内能不变，气体的温度不变，分子平均动能不变。
(2)气体从状态1到状态2发生等温变化，则有 p1V1＝p2·2V1
解得状态2气体的压强为p2＝＝1.02×105 Pa
解锁活塞B，同时施加水平恒力F，仍使其保持静止，以活塞B为对象，根据受力平衡可得
p2S＝p0S＋F
解得F＝(p2－p0)S＝(1.02×105－1.01×105)×100×10-4 N＝10 N。
(3)当电阻丝C加热时，活塞B能缓慢滑动(无摩擦)，使气体达到温度T2＝350 K的状态3，可知气体做等压变化，则有＝
可得状态3气体的体积为
V3＝·2V1＝×2×750 cm3＝1 750 cm3
该过程气体对外做功为W＝p2ΔV＝p2(V3－2V1)＝1.02×105×(1 750－2×750)×10-6 J＝25.5 J
根据热力学第一定律可得ΔU＝－W＋Q′
解得气体吸收的热量为
Q′＝ΔU＋W＝63.8 J＋25.5 J＝89.3 J
可知电阻丝C放出的热量为Q＝Q′＝89.3 J。
[答案] (1)不可逆 不变 (2)10 N (3)89.3 J
章末综合测评(三)
一、选择题(本题共10小题，每小题4分。在每小题给出的四个选项中，第1～7题只有一项符合题目要求，第8～10题有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)
1．根据热学中的有关知识，判断下列说法错误的是 ( )
A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以用来做功转化成机械能
B．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的
C．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，所以随着科技的进步和发展，第二类永动机可以被制造出来
D．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热量可以逆向传递
C [机械能可以全部转化为内能，内能也可以用来做功转化成机械能，故A正确；根据热力学第二定律可知，与热现象有关的宏观过程都具有方向性，自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，故B正确；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机违背热力学第二定律，所以第二类永动机不可能被制造出来，故C错误；根据热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传递给高温物体，但在一定外界条件下可以实现，例如空调制冷时，压缩机工作，消耗电能，把热量从低温物体传递给高温物体，故D正确。]
2．关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A．理想气体吸热后温度一定升高
B．热量不可能从低温物体传到高温物体
C．若系统A和系统B之间达到热平衡，则它们的温度一定相同
D．电冰箱的制冷系统能够不断地把热量从冰箱内传到外界，违背了热力学第二定律
C [由热力学第一定律得，如果理想气体吸热的同时对外做功，且做功的数值大于吸收的热量，则气体内能减少，温度降低，故A错误；热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但电冰箱、空调等电器可以通过做功，把热量从低温物体传到高温物体，故B错误；若系统A和系统B之间达到热平衡，则它们的温度一定相同，故C正确；电冰箱的制冷系统能够不断地把热量从冰箱内传到外界，这个过程是由压缩机做功实现的，没有违背热力学第二定律，故D错误。]
3．用海浪发电的航标灯的气室(器壁是导热的)结构如图所示。利用海浪上下起伏的力量，空气从A吸进来，在B中压缩后再推入工作室C，推动涡轮机带动发电机发电。当海水下降时，阀门K1关闭，K2打开。当海水上升时，K2关闭，海水推动活塞等温压缩空气(可视为理想气体)，空气压强达到6×105 Pa时，阀门K1才打开。K1打开后，活塞继续推动B中的空气，直到气体全部被推入工作室C为止，同时工作室C的空气推动涡轮机工作，根据上述信息判断下列说法正确( )
A．该装置由于从单一热源吸收热量，所以违反了热力学第二定律
B．在活塞向上推动，K1未打开之前，B中的空气向周围放出热量
C．在活塞向上推动，K1未打开之前，B中每个空气分子对器壁的撞击力增大
D．气体被压缩，体积减小，分子间的平均距离减小，气体压强增大，分子力表现斥力
B [该装置是利用海水推动活塞做功，是海水的机械能转化为电能，不违反热力学定律，故A错误；海水推动活塞等温压缩空气，内能不变，而外界对气体做功，根据热力学第一定律知B中的空气向周围放出热量，故B正确；在活塞向上推动，K1未打开之前，由于温度不变，则B中气体分子的平均动能不变，对单个分子来讲其动能变化不一定，每个空气分子对器壁的撞击力不一定变大，故C错误；气体被压缩，体积减小，分子间的平均距离减小，气体压强增大，因是理想气体，不考虑分子间的作用力，故D错误。故选B。]
4．海底火山活跃的海域，火山附近的海水会受到加热形成水蒸气从而产生气泡。当气泡浮上水面的过程中温度下降，压强减小，体积减小。该过程中水蒸气可视作理想气体。下列关于该过程说法正确的是( )
A．水蒸气上升过程中吸收热量
B．水蒸气分子的平均动能增大
C．水蒸气放出的热量大于其减小的内能
D．该过程违反了热力学第二定律
C [根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q 可知，气体温度下降，故内能减小，即ΔU＜0，体积减小可以判断外界对气体做功，故W>0，因此Q必须为负，放出热量，故A错误；水蒸气的温度下降，故分子平均动能减小，故B错误；根据热力学第一定律，因外界对气体做功，故水蒸气放出的热量大于其减小的内能，故C正确；该过程不单是从热源吸热并用于做功，同时也引起了海水重力势能变化，故没有违反热力学第二定律，故D错误。故选C。]
5．气垫鞋深受篮球爱好者们喜欢。某款气垫鞋底部装有一种由小分子铸膜材料制作的气垫，气垫内封闭着一定量的气体。一同学穿着该款鞋子打篮球时，他跳跃起一定高度抢到篮板球后双脚稳稳落地。研究他双脚着地的短暂过程，不计气垫内气体分子间的相互作用，则( )
A．气垫内的气体对外做功，气体密度减小
B．外界对气体做的功等于气体向外传递的热量
C．气垫内的气体的温度升高，气垫内所有气体分子热运动的速率均增大
D．外界对气垫内的气体做功，气体内能增大
D [脚着地的短暂过程，外界对气垫内的气体做功，气体质量不变，体积减小，所以气体密度增大，故A错误；着地的过程短暂，气体与外界发生热交换的时间很短，外界对气体做功，所以气体的温度升高，内能增大，由热力学第一定律可知，外界对气体做的功大于气体向外传递的热量，故D正确，B错误；气垫内气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，但不是所有分子的动能都增大，即不是所有分子的速率都增大，故C错误。]
6．图中汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁间摩擦不计，但不漏气。现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并对外做功，若已知一定质量的理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是( )
A．气体从单一热库吸热，全部用来对外做功，此过程违反热力学第二定律
B．气体从单一热库吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律
C．气体从单一热库吸热，全部用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律
D．以上三种说法都不对
C [由于汽缸导热，外界温度不变，活塞杆缓慢地向右移动的过程中，缸内、外气体有足够时间进行热交换，所以汽缸内的气体温度不变，其内能不变，该过程气体是从单一热库即外部环境吸收热量，全部用来对外做功且内能不变，但此过程不违反热力学第二定律，此过程由外力对活塞做功维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能发生。]
7．“二氧化碳跨临界直冷制冰”是北京2022年冬奥会的“中国方案”，国家速滑馆的冰面全由它制成，冰面温差可控制在±0.5 ℃以内。其制冰过程可简化为图中的循环过程，其中横轴为温度T，纵轴为压强p。
过程A→B：一定量的二氧化碳在压缩机的作用下变为高温高压的超临界态(一种介于液态和气态之间，分子间有强烈相互作用的特殊状态)；
过程B→C：二氧化碳在冷凝器中经历一恒压过程向外放热而变成高压液体；
过程C→D：二氧化碳进入蒸发器中蒸发，进而使与蒸发器接触的水降温而凝固；
过程D→A：二氧化碳经历一恒压过程回到初始状态。下列说法正确的是( )
A．过程A→B中，每个二氧化碳分子的动能都将增大
B．过程B→C中，二氧化碳始终遵循理想气体的实验定律
C．过程D→A中，若二氧化碳可看作理想气体，则该过程中二氧化碳将吸热
D．整个循环过程中，热量从低温水向高温二氧化碳传递，违反热力学第二定律
C [温度是分子的平均动能的标志，A→B过程中气体的温度升高，分子的平均动能增大，但不是每一个分子的动能都增大，故A错误；B→C过程中二氧化碳从超临界态变成液态，没有始终遵循气体实验定律，故B错误；D→A过程中，二氧化碳等压升温，且可看作理想气体，根据理想气体的状态方程＝C(常量)可知气体的体积增大，则气体对外做功，气体的温度升高则气体的内能增大，结合热力学第一定律可知该过程中二氧化碳将吸热，故C正确；整个循环过程需要外力做功才能实现，所以热量从低温水向高温二氧化碳传递，并不违反热力学第二定律，故D错误。]
8．如图所示，固定在水平地面上的汽缸内密封一定质量的理想气体，活塞处于静止状态。若活塞与汽缸间的摩擦忽略不计，且气体与外界环境没有热交换。将活塞从A处缓慢地推至B处的过程中，下列说法正确的是( )
A．气体的温度逐渐升高
B．气体分子的平均动能逐渐增大
C．气体的分子数密度保持不变
D．气体的内能可能保持不变
AB [将活塞从A处缓慢地推至B处的过程中，气体的体积减小，分子数密度增大，外界对气体做功，即W>0，由于气体与外界环境没有热交换，即Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU>0，即气体的内能逐渐增大，气体温度逐渐升高，气体分子的平均动能逐渐增大，故A、B正确，C、D错误。]
9．(2023·新课标卷)如图，一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分，活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后( )
A．h中的气体内能增加
B．f与g中的气体温度相等
C．f与h中的气体温度相等
D．f与h中的气体压强相等
AD [三部分中气体的温度、体积、压强均相等，所以三部分气体质量相等。对f中的气体缓慢加热，则f中气体温度升高(热胀)，体积增加，此时f挤压g、h，而分隔g、h中气体的活塞均绝热，故g、h中气体体积均减小，压强增大，弹簧弹力增加。当f右侧活塞向右移动时，外界对g、h气体均做正功，W>0，绝热Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，g、h中的气体内能增加，温度升高，A正确；当系统稳定时，满足pfS＝pgS＋kx＝phS，则pf＝ph＞pg，则此时f与h中的气体压强相等，D正确；由理想气体状态方程可知＝＝，由于pf＞pg，Vf＞Vg，故Tf＞Tg，B错误；由于f中气体体积变大、h中气体体积变小，故Vh10．如图所示，一定质量的理想气体，从状态A经绝热过程A→B、等容过程B→C、等温过程C→A又回到了状态A，则( )
A．A→B过程气体降温
B．B→C过程气体内能增加，可能外界对气体做了功
C．C→A过程气体放热
D．整个过程气体做功为零
AC [A→B过程气体绝热膨胀，气体对外界做功，其对应的内能必定减小，即气体温度降低，A正确；B→C过程气体等容升压，由查理定律可知，气体温度升高，其对应的内能增加，因气体体积不变，故外界对气体做功W＝0，B错误；C→A过程气体等温压缩，故内能变化为零，但外界对气体做功，因此该过程中气体放热，C正确；A→B过程气体对外做功，其数值等于AB线与横轴所围的面积，B→C过程气体不做功，C→A过程外界对气体做功，其数值等于CA线与横轴所围的面积，显然全过程外界对气体做的功为ABC封闭曲线所围的面积，D错误。]
二、非选择题(共5小题，共60分)
11．(8分)一定质量的理想气体，从初始状态A经状态B、C、D再回到A，体积V与温度T的关系如图所示，图中TA、VA和TD为已知量。
(1)从状态A到B，气体经历的是________过程(选填“等温”“等容”或“等压”)。
(2)从B到C的过程中，气体的内能________(选填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)从C到D的过程中，气体对外界________(选填“做正功”“做负功”或“不做功”)，同时________(选填“吸热”或“放热”)。
(4)气体在状态D时的体积VD＝________。
[解析] (1)由题图可知，从状态A到B，气体体积不变，故是等容变化。
(2)从B到C气体温度不变，即分子平均动能不变，该理想气体的内能不变。
(3)从C到D气体体积减小，外界对气体做正功，W>0，所以气体对外界做负功，同时温度降低，说明内能减小，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知气体放热。
(4)从D到A是等压变化，由盖-吕萨克定律得＝，VD＝VA。
[答案] (1)等容 (2)不变 (3)做负功 放热 (4)VA
12．(6分)如图所示，导热的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定质量的理想气体封闭在汽缸中(状态①)，汽缸的内壁光滑。现用水平外力F作用于活塞杆，使活塞缓慢地向右移动一段距离(状态②)，在此过程中：
(1)如果环境保持恒温，下列说法正确的是________。
A．每个气体分子的速率都不变
B．气体分子平均动能不变
C．水平外力F逐渐变大
D．气体内能减少
E．气体放热
F．气体内能不变，却对外做功，此过程违反热力学第一定律，不可能实现
G．气体虽是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律
(2)如果环境保持恒温，分别用p、V、T表示该理想气体的压强、体积、温度。气体从状态①变化到状态②，此过程可用下列选项表示的是______。
A B C D
[解析] (1)温度不变，分子平均动能不变，分子平均速率不变，但不是每个分子的速率都不变，B正确，A错误；由玻意耳定律知气体体积增大，压强减小，活塞内、外压强差增大，水平拉力F增大，C正确；由气体温度不变、体积增大知，气体内能不变，对外做功，由热力学第一定律知，气体一定从外界吸收热量，D、E、F均错误；题中气体虽从单一热库吸热，全部用来对外做功，但有外力作用于杆并引起气体的体积增大，不违反热力学第二定律，G正确。
(2)由题意知，从①到②，气体温度不变，体积增大，压强减小，所以只有A、D正确。
[答案] (1)BCG (2)AD
13．(12分)如图所示的p-V图像中，一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时，从外界吸收热量420 J，同时膨胀对外做功300 J，当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时，外界压缩气体做功200 J，求过程Ⅱ中气体吸收或放出的热量是多少。
[解析] 由题意知，一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时，ΔUAB＝W1＋Q1＝120 J
内能增加120 J，当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时，ΔUBA＝W2＋Q2＝－120 J
又W2＝200 J
则Q2＝－320 J，故放出热量320 J。
[答案] 放出热量 320 J
14．(16分)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的p-V图像如图所示。已知该气体在状态B时的热力学温度TB＝300 K，求：
(1)该气体在状态A时的热力学温度TA和在状态C时的热力学温度TC；
(2)该气体从状态A到状态C的过程中，气体内能的变化量ΔU以及该过程中气体从外界吸收的热量Q。
[解析] (1)气体从状态A到状态B过程做等容变化，有＝，解得TA＝900 K
气体从状态B到状态C过程做等压变化，有＝，解得TC＝900 K。
(2)因为状态A和状态C温度相等，且理想气体的内能是所有分子的动能之和，温度是分子平均动能的标志，所以在该过程中ΔU＝0
气体从状态A到状态B的过程体积不变，气体从状态B到状态C的过程对外界做功，故气体从状态A到状态C的过程中，外界对气体所做的功为
W＝－pΔV＝－1×105×(3×10-3－1×10-3) J＝－200 J
由热力学第一定律有ΔU＝Q＋W
解得Q＝200 J。
[答案] (1)900 K 900 K (2)0 200 J
15．(16分)(2023·浙江1月选考)某探究小组设计了一个报警装置，其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝100 cm2、质量m＝1 kg的活塞密封一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA＝300 K、活塞与容器底的距离h0＝30 cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热，活塞缓慢上升d＝3 cm恰好到达容器内的卡口处，此时气体达到状态B。活塞保持不动，气体被继续加热至温度TC＝363 K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU＝158 J。取大气压p0＝0.99×105 Pa，g＝10 m/s2，求气体：
(1)在状态B的温度；
(2)在状态C的压强；
(3)由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q。
[解析] (1)气体由状态A变化到状态B过程中压强不变，则有
＝，解得TB＝TA＝330 K。
(2)活塞缓慢上升时有pBS＝p0S＋mg，解得气体压强pB＝1×105 Pa
气体由状态B变化到状态C的过程中体积不变，则有＝，解得pC＝pB＝1.1×105 Pa。
(3)气体从状态A到状态C的过程中对外做功为W0＝pBSd＝30 J，由ΔU＝W＋Q得气体吸收的热量Q＝ΔU＋W0＝188 J。
[答案] (1)330 K (2)1.1×105 Pa (3)188 J(共39张PPT)
4．热力学第二定律
第三章 热力学定律
整体感知·自我新知初探
[学习任务] 任务1．了解传热、扩散现象、机械能与内能的转化等过程都具有方向性。知道具有方向性的过程是不可逆的。
任务2．了解热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因。
任务3．能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移反方向性问题，并能解决一些实际问题。
任务4．了解能量与能源的区别以及能源的有限性。
[问题初探] 问题1．什么叫可逆过程？什么叫不可逆过程？
问题2．热现象的方向性含义是什么？
问题3．既然能量守恒，为什么还要节约能源？
问题4．气体向真空的自由膨胀可逆吗？
[思维导图]
探究重构·关键能力达成
[链接教材] 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？这说明扩散现象有什么特点？
知识点一 热力学第二定律
提示：不能；扩散现象具有方向性，是不可逆的。
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
(1)传热的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是________。
(2)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有______。
不可逆的
方向性
2．热力学第二定律的开尔文表述
(1)热机
①热机的工作分为两个阶段：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____；第二个阶段是工作物质对外做功，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)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______。
(3)热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是____的。
内能
机械能
小于
完全变成功
方向性
等价
覆水难收；破镜难圆；水从高山流到河谷，不可能自己再返回高山；一滴墨水滴入一杯清水，会均匀地扩散开来，不可能再自动地凝成一滴墨水……
问题1．这些现象说明了什么道理？
问题2．热量能否从温度低的物体传递给温度高的物体？
提示：1．自然界的与热现象有关的宏观自然过程不可能自发地逆向进行。
2．能，但是需要第三方的介入。
1．对热力学第二定律的理解
(1)克劳修斯表述中“自发”的含义：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入，不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从高温物体传到低温物体。“自发”的方向是从高温物体指向低温物体。
(2)开尔文表述中“不可能从单一热库吸收热量”的含义：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。即热机工作时须有高温热库和低温热库。
(3)开尔文表述中“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。
2．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的两种表述是等价的，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
【典例1】 (对热力学第二定律的理解)(多选)下列现象中能够发生的是( )
A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能
C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离
D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体
√
√
CD [一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热，蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，都违背了热力学第二定律，故不能发生，A、B错误；泥、水分离是由于重力作用，能够发生，C正确；由热力学第二定律可知，电冰箱通电后把热量由低温物体传到高温物体是可以通过消耗电能的方式实现的，故能够发生，D正确。]
【典例2】 (对热力学第二定律的理解)如图所示，两种不同的金属丝组成一个回路，接触头1置于热水杯中，接触头2置于冷水杯中，此时回路中电流计指针发生偏转，这是温差电现象。假设此过程电流做功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得( )
A．Q1＝W
B．Q1＞W
C．Q1＜Q2
D．Q1＋Q2＝W
√
B [根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他影响，所以从热水中吸收的热量Q1应该大于电流做的功W，即Q1>W，A错误，B正确；根据能量守恒定律和热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分是电能W，另一部分是冷水吸收的热量Q2，即Q1＝Q2＋W，C、D错误。]
规律方法 应用热力学第二定律解决问题时的两个关键点
(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不需要借助其他物体提供能量等。
(2)“不产生其他影响”的含义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热库吸收热量全部用来做功，必须通过第三者的帮助，这里的帮助是指做功或提供能量等方式，否则是不可能实现的。
【教用·备选例题】
地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018 t，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023 J的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不可能制成的，其原因是( )
A．内能不可以转化成机械能
B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律
D．上述三种原因都不正确
√
C [内能可以转化成机械能，如热机，选项A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，选项B错误；热力学第二定律告诉我们：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，选项C正确，D错误。]
1．第一类永动机和第二类永动机的比较
知识点二 热力学第一定律和热力学第二定律的比较
第一类永动机 第二类永动机
特点 不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功 从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响
不可能制成的原因 违背能量守恒定律 不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律
2．热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系
热力学第一定律 热力学第二定律
区别 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了凭空产生能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 热力学第二定律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 两定律都是热力学基本定律，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，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
【典例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反了热力学第一定律
B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
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
√
D [第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，选项A、B错误；由热力学第一定律可知，W≠0，Q≠0时ΔU＝W＋Q可以等于零，选项C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但必然引起其他变化，选项D正确。]
【典例4】 (多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的是( )
A．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减少
B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的
C．热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成
D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”
√
√
√
ABC [一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，则Q＝0，W<0，根据ΔU＝W＋Q可知，气体的内能减少，故A正确；热力学第二定律表明，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确；热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成，故C正确；热力学第二定律可描述为“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”，故D错误。]
1．能量的转移和转化具有方向性：在各种生产生活中，人们利用的各种形式的能最终都转化成____流散到周围的环境中。
2．能量耗散
根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能____________驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
3．能源：指具有______的容易利用的储能物质。
知识点三 能源是有限的
内能
自动聚集起来
高品质
水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石头制成，分上下两片，呈圆形。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磨盘和粮食等的内能。
问题1．分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？
问题2．这些内能最终流散到周围的环境中，但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？
提示：1．做功。
2．内能品质低。
【典例5】 抽水蓄能电站结构如图所示，抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水蓄能电站，下列说法正确的是( )
A．抽水蓄能的过程中，能量守恒
B．放水发电的过程中，机械能守恒
C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了
√
A [抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，故A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为电能，机械能不守恒，故B错误；抽水蓄能、放水发电过程，总的能量保持不变，并不能使能量增多，故C错误；抽水蓄能电站能够合理调节用电高峰期和低谷期的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我们仍面临着能源危机，还需节约能源，故D错误。]
应用迁移·随堂评估自测
1．下列现象属于能量耗散的是( )
A．利用水能发电将水能转化为电能
B．电池的化学能转化为电能
C．电流通过电阻丝将电能转化为光能
D．火炉把房子烤暖
√
2
4
3
题号
1
D [能量耗散是指其他形式的能转变为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的过程。本题中的电能、光能都可以重新收集并加以利用。火炉把房子烤暖使燃料的化学能转变成内能并流散在周围的环境中，难以重新收集并加以利用，是能量耗散，故本题选D。]
2
4
3
题号
1
2．关于热力学第二定律，下列说法不正确的是( )
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．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性
C．热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体
D．热机的效率不可能达到100%
2
3
题号
1
4
√
A [第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律，并没有违背热力学第一定律，故A错误；自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，即不可逆，故B正确；根据热力学第二定律知，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，故C正确；热力学第二定律可表述为不可能从单一热源吸收热量，使之全部变成功而不产生其他影响，所以热机效率不可能达到100%，故D正确。]
2
3
题号
1
4
3．将一件裙子放进死海，3年后成了一件精美的艺术品。其形成原因是海水中的盐，不断在衣服表面结晶所产生的。根据这一现象下列说法不正确的是( )
A．结晶过程看似是自发的，其实要受到环境的影响
B．结晶过程是无序向有序转变的过程
C．盐在溶解的过程中熵是增加的
D．这件艺术品被精心保存在充满惰性气体的密闭橱窗里，可视为孤立系统，经过很长时间后，该艺术品的熵可能减小
2
3
题号
4
1
√
D [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，受到环境的影响，是由无序向有序的转变过程，故A、B正确；盐在溶解是固态变为液态，是自发过程，自发过程是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，即熵增加，故C正确；孤立系统的熵永不减小，故D错误。本题选错误项，故选D。]
2
3
题号
4
1
4．(2022·广东卷)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。
2
4
3
题号
1
[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，通过压缩机做功，消耗了能量，因此这个过程不是自发过程；根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热，使之完全转化为有用的功，而不产生其他影响，因此空调把热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外，还需有外力做功，即空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。
不是
大于
回归本节知识，完成以下问题：
1．“由热力学第二定律可知，一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。”这种说法正确吗，为什么？
提示：错误。应该是一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。如果有外加因素，如冰箱，就可以把热量由低温物体传到高温物体。
2．第二类永动机与第一类永动机的区别是什么？它为什么不能实现？
提示：第二类永动机是从单一热源吸收的热量可以全部用来做功，而不引起其他变化的机器，即效率η＝100%的机器。第一类永动机是指不消耗任何能量就能永远运动下去的机器，它违反了能量守恒定律。
第二类永动机不能实现的原因：违背了热力学第二定律，但没有违背能量守恒定律。
3．由能量守恒可知，能量在转化和转移的过程中，总能量是不变的，那么为什么我们还要节约能源呢？
提示：能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，所以要节约能源。
