3-4 热力学第二定律 学案

学案4　热力学第二定律
[学习目标定位]1.通过自然界中传热的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因.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.3.了解熵的概念及熵增加原理，并能解释生活中的有关现象．
1．气体膨胀对外界做功．
2．不同物质能够彼此进入对方的现象叫扩散现象．
3．能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变，这就是能量守恒定律．
一、热传导的方向性
1．热量可以自发地从高温物体传给低温物体．
2．热量不可能自发地从低温物体传给高温物体．
3．热传导过程具有方向性.
二、机械能和内能转化过程的方向性
1．机械能和内能转化过程具有方向性，即机械能全部转化为内能的过程是可以自发进行的，内能全部转化为机械能的过程，是不能自发进行的，要将内能全部转化为机械能，必然会引起其他影响．
2．第二类永动机：
(1)定义：从单一热源吸热全部用来做功，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是从单一热源吸热把内能全部转化为机械能而不引起其他变化是不可能的．
三、热力学第二定律
1．第一种表述(克劳修斯表述)：热量不能自动地从低温物体传递到高温物体．或者说，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．显然这是按照热传导的方向性来表述的．
2．第二种表述(开尔文表述)：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．这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的．
四、热力学第二定律的微观实质
1．从微观上来说，机械能转化为内能的过程，是大量分子的有序运动朝无序运动的方向转化的过程．
2．热传导过程是使物体内部分子的热运动由比较有序的状态向无序的状态转化的过程．
3．热力学第二定律的微观实质：
与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的．
五、熵
意义：描述物体的无序程度，物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就越大.
一、热力学第二定律
[问题设计]
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，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这一过程可逆吗？
答案　不可逆
[要点提炼]
1．两种常见表述
(1)克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传递到高温物体．(阐述的是热传导的方向性)
(2)开尔文表述：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．(阐述的是机械能与内能转化的方向性)
2．热力学第二定律的理解
(1)克劳修斯表述指明热传导等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助，其物理本质是揭示了热传导过程是不可逆(填“可逆”或“不可逆”)的．
(2)开尔文表述中的“单一热源”指温度恒定且均匀的热库．“不引起其他变化”是指惟一效果是热量全部转变为功而外界及系统都不发生任何变化．其物理实质揭示了机械能转化为内能的过程是不可逆的．
(3)热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的过程的方向性．进而使人们认识到自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的．
二、两个热力学定律的比较与应用
[问题设计]
地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1℃，将要放出5.8×1023J的热量，这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量，这么巨大的能量，人们为什么不去开发研究呢？
答案　这种利用海水的内能发电的过程，违背了热力学第二定律，所以不会研究成功．
[要点提炼]
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、化学过程具有不可逆性(填“可逆性”或“不可逆性”)．
2．两类永动机的比较：
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，实现内能全部转化为机械能)．
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反了能量守恒定律；第二类永动机的设想不违反能量守恒定律，但违背了跟热现象有关的宏观过程具有方向性的自然规律．
三、热力学第二定律的微观实质
1．对热力学过程的微观解释
在通过做功使系统内能增加的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程，但其逆过程却不能自发地进行，即不可能由大量分子无规则的热运动自发地转变为有序的运动．
2．对热传递过程的微观解释
从微观上看，热传递的过程中，自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，其逆过程不能自发地进行．
3．微观意义
大量分子无序运动状态变化的方向总是向无序性增大的方向进行，即一切自发过程总是沿着无序性增大的方向进行．
四、熵增加原理
1．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．
2．热力学第二定律也叫熵增加原理．(填“增加”或“减少”)
一、热力学第二定律的基本考查
例1　(单选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　)
A．热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律
B．热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律
C．热力学第二定律是物理学家从理论推导出来的结果
D．热力学第二定律没有理论和实验的依据，因此没有实际意义
解析　热力学第二定律是物理学家通过对大量自然现象的分析，又总结了生产和生活经验得到的结论，是一个经验定律，它并不能通过理论和实验来证明，但它符合客观事实，因此是正确的．它揭示了热现象宏观过程的方向性，使人们认识到第二类永动机不可能制成，对我们认识自然和利用自然有着重要的指导意义．
答案　B
二、两个热力学定律的比较、应用
例2　(单选)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
解析　热力学第一定律是能量守恒在热现象中的体现，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．
答案　B
例3　(双选)第二类永动机不可能制成是因为(　　)
A．违背了能量守恒定律
B．违背了热力学第二定律
C．机械能不能全部转变为内能
D．内能不可能全部转化为机械能，而不产生其他影响
答案　BD
三、热力学第二定律的微观意义和熵增加原理
例4　(双选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是(　　)
A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B．热传递的自然过程是大量分子从无序运动状态向有序运动状态转化的过程
C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程
D．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析　分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变得有序．热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程．
答案　CD
例5　(单选)下列关于熵的说法中错误的是(　　)
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的
C．热力学第二定律也叫做熵减小原理
D．熵值越大代表着越无序
解析　一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义．系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程．自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理．因此A、B、D说法正确，C说法错误．
答案　C
1．(热力学第二定律)(双选)下列说法中正确的是(　　)
A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B．一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D．一切物理过程都不可能自发地进行
答案　AC
解析　热力学第二定律指出了热现象的方向性，而同时也指出了发生这些单一方向的过程的条件——自发．
2．(热力学定律的应用)(单选)下列说法中错误的是(　　)
A．第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律
B．第二类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律
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效的
答案　B
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，故选项A正确，选项B错误；热力学第一定律与热力学第二定律相辅相成，互相独立，选项C正确；热力学第二定律的两种表述是等效的，选项D正确．故选B项．
3．(热力学第二定律的微观意义)(单选)下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　　)
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵会减小
答案　A
解析　热力学第二定律是一个统计规律，A对；从热力学第二定律的微观本质看，一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行，B、C错；任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是熵增加的方向进行，故D错．所以选A.
4．(熵)(双选)对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是(　　)
A．系统的总熵只能增大，不可能减小
B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小
C．系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展
D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
答案　AC
解析　在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵是增加的，它不可能减小，故选项A正确，B错误．根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展，故选项C正确，D错误．
题组一　热力学第二定律的基本考查
1．(单选)下列说法不正确的是(　　)
A．热量能自发地从高温物体传给低温物体
B．热量不能从低温物体传到高温物体
C．热传导是有方向性的
D．气体向真空的自由膨胀的过程是有方向性的
答案　B
解析　如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，选项A、C正确，B错误；气体向真空的自由膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性，选项D正确，故选B项．
2．(单选)热力学第二定律使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(　　)
A．都具有方向性
B．只是部分具有方向性
C．没有方向性
D．无法确定是否具有方向性
答案　A
解析　自然界中所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
3．(双选)关于热机的效率，下列说法正确的是(　　)
A．有可能达到80%B．有可能达到100%
C．有可能超过80%D．有可能超过100%
答案　AC
解析　由热力学第二定律可知，不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不产生其他影响，所以热机的效率永远也达不到100%.
4．(单选)下列过程中可能发生的是(　　)
A．某种物质从高温热源吸收20kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响
B．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发跑进去，恢复原状
C．利用其他手段，使低温物体温度更低，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，而不引起其他的影响，但通过一些物理手段是可以实现的，故C项正确；要使内能全部转化为机械能必定要引起其他变化，故A项错；气体膨胀具有方向性，故B项错；扩散现象也有方向性，故D项错．
5．(单选)下列说法中正确的是(　　)
A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功
B．热机必须具有两个热库，才能实现热功转化
C．热机的效率不可能大于1，但可能等于1
D．热机的效率必定小于1
答案　D
解析　本题要求全面领会开尔文表述的含义，同时注意语言逻辑性．开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他影响，比如气体等温膨胀过程，气体内能完全转化为功，但气体体积增大了，A错误；开尔文表述指出，热机不可能只有单一热库，但未必就是两个热库，可以具有两个以上热库，B错误；由η＝可知，热机效率必定小于1，故C错误，D正确．
题组二　两个热力学定律的比较、应用
6．(单选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．第二类永动机违背能量守恒定律
B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
C．吸收了热量的物体，其内能一定增加
D．压缩气体总能使气体的温度升高
答案　B
解析　第二类永动机违背热力学第二定律，A错误；物体从单一热源吸收的热量可以全部用来对外做功，只不过会引起其他变化，B正确；内能的变化决定于做功和热传递两个方面，单纯吸收热量或者对物体做功，物体的内能都不一定增加，C、D错误．
7．(双选)根据热力学定律，下列说法中正确的是
(　　)
A．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
B．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
C．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机
D．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”
答案　AB
解析　热力学第二定律的表述之一是热量不能自发地从低温物体传到高温物体，即自发热传递具有方向性，选项A中热量并非自发地从低温物体传到高温物体，选项A正确；空调机制冷过程中一方面从室内吸收热量，另一方面所消耗电能中的一部分又变为热量散失在室外，使排放到室外的热量多于从室内吸收的热量，选项B正确；由热力学第二定律的表述“不可能从单一热源吸收热量，并把全部用来做功，而不引起其它变化”可知选项C错误；由能量守恒定律知，能量总是守恒的，只是存在的形式不同，选项D错误．
8．(单选)下列有关能量转化的说法中正确的是(　　)
A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他影响
B．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
D．外界对物体做功，物体的内能必然增加
答案　A
解析　由热力学第二定律的开尔文表述可知A对；热机效率总低于100%，B错；满足能量守恒定律的过程未必能自发进行，任何过程一定遵循热力学第二定律，C错；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即内能不一定增加，D错．
9．(单选)某校中学生参加电视台“异想天开”节目的活动，他们提出了下列四个设想方案，理论上可行的是(　　)
A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响
B．热力学第二定律也叫熵不变原理
C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝
D．将房屋顶设计成太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题
答案　D
解析　根据热力学第二定律，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A是错误的；根据热力学第二定律可知，与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，选项C是错误的；根据能量守恒定律可知，选项D是正确的．
10．(双选)用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图1所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象．关于这一现象，正确的说法是(　　)
图1
A．这一实验过程不违反热力学第二定律
B．在实验过程中，热水一定降温、冷水一定升温
C．在实验过程中，热水内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能
D．在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能
答案　AB
解析　温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，转化效率低于100%，不违反热力学第二定律，热水温度降低，冷水温度升高，故选项A、B正确，C、D错误．
11．(双选)图2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(　　)
图2
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背热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律
答案　BC
解析　热力学第一定律适用于所有的热学过程，选项C正确，选项D错误；热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，要想使热量从低温物体传递到高温物体必须借助于其他系统做功，选项A错误，选项B正确．
题组三　热力学第二定律的微观实质和熵增加原理
12．(单选)下列说法中正确的是(　　)
A．机械能和内能之间的转化是可逆的
B．气体向真空的自由膨胀是可逆的
C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较有序的
D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较无序的
答案　D
13．(双选)关于熵，下列说法中正确的是(　　)
A．熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高
B．熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高
C．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序
D．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序
答案　AD
14．(单选)下列关于熵的观点中错误的是(　　)
A．熵越大，系统的无序度越大
B．对于一个不可逆的绝热过程，其熵增大
C．气体向真空扩散时，熵值减小
D．自然过程中熵总是增加的
答案　C
解析　熵是系统内分子热运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，A正确．不可逆的绝热过程，其宏观态对应的微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，B正确．气体向真空中扩散时，无序度增大，熵值增大，C错误．