3-4 热力学第二定律 学案1

第四讲　热力学第二定律
[目标定位]　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.了解什么是第二类永动机，知道为什么它不能制成.4.了解热力学第二定律的微观实质.5.了解熵是反映系统无序程度的物理量.
一、热传导的方向性
1.两个温度不同的物体互相接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，但不会自发地从低温物体传给高温物体.这说明：热传导过程是有方向性的.
2.热力学第二定律是一条反映自然界过程进行方向和条件的规律.
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它违背了热力学第二定律.
三、热力学第二定律的表述
1.第一种表述(克劳修斯表述)：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体.(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.(按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的)
热力学第二定律的这两种表述是等价的.热现象的宏观过程都具有方向性.
3.自然界中一切与热现象有关的自然过程都具有方向性.
想一想　热传导的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？
答案：不能.“自发地”是指没有第三者影响，例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体，但是也产生了其他影响，即外界做了功.
四、热力学第二定律的微观实质
1.做功是与分子群体的有序运动联系在一起的，内能是和分子的无序运动联系在一起的，机械能转化为内能的过程，从微观上来说，是大量分子的有序运动朝无序运动的方向转换的过程，其相反方向的过程是大量分子从无序运动朝有序运动方向转换的过程.
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.
解决学生疑难点
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一、宏观过程的方向性
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，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高.
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：物体在水平面上运动，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膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，容器变为真空.
5.在整个自然界中，无论有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程.
例1　下列说法正确的是(　　)
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.热传递是自发的双向的
D.气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
答案　AD
解析　如果是自发地进行，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，A对，B、C错；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆，具有方向性的，D对.
借题发挥　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，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能，其实自然界中所有的热现象都是具有单向性的.
二、热力学第二定律和熵
1.克劳修斯表述是按热传导的方向性表述的.热量可以由低温物体传到高温物体但不能是自发的，如：冰箱、空调.
2.开尔文表述是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的.不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响.
3.这两种表述看似毫无联系，其实是等价的，可以从一种表述导出另一种表述.
4.热力学第二定律揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.
5.熵较大的宏观状态就是无序性较大的宏观状态，在自发过程中熵总是增加的，即向无序性增加的方向进行.
6.从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：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.
例2　根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是(　　)
A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
B.没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源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递到高温物体，而不引起其他变化
答案　AD
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；热传递过程也具有方向性，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)，故C选项错误、D选项正确.
借题发挥　(1)一切物理过程均遵守能量转化与守恒定律，但遵守能量守恒的物理过程不一定均能实现.
(2)热力学第二定律的关键在于“自发性”和“方向性”.
例3　下列关于熵的观点中正确的是(　　)
A.熵越大，系统的无序度越大
B.对于一个不可逆绝热过程，其熵总不会增加
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，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多
答案　AD
解析　熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，选项A正确；一个不可逆绝热过程，其宏观状态对应微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，选项B错误；气体向真空中扩散，无序度增大，熵值增大，选项C错误；自然过程中，无序程度较大的宏观态出现的概率大，因而通向无序的渠道多，选项D正确.
宏观过程的方向性
1.下列哪个过程具有方向性(　　)
①热传导过程　②机械能向内能的转化过程　③气体的扩散过程　④气体向真空中的膨胀
A.①②
B.②③
C.①②③
D.①②③④
答案　D
解析　这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，根据热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性.
热力学第二定律
2.根据热力学第二定律，下列判断正确的是(　　)
A.电流的能不可能全部变为内能
B.在火力发电机中，燃气的内能可能全部变为电能
C.热机中，燃气内能不可能全部变为机械能
D.在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
答案　CD
解析　根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能，而不产生其它影响.机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能.在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体.
3.关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是(　　)
A.随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%
B.热量是不可能从低温物体传递给高温物体的
C.第二类永动机遵从能量守恒故能做成
D.用活塞压缩气缸里的空气，对空气做功2.0×105J，同时空气向外界放出热量1.5×105J，则空气的内能增加了0.5×105J
答案　D
解析　由热力学第二定律知，B、C错；绝对零度不可能达到，A错；由热力学第一定律知D正确.
(时间：60分钟)
题组一　宏观过程的方向性
1.关于热传导的方向性，下列说法正确的是(　　)
A.热量能自发地由高温物体传给低温物体
B.热量能自发地由低温物体传给高温物体
C.在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体
D.热量不可能从低温物体传给高温物体
答案　AC
解析　在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，但热量只能自发地从高温物体传给低温物体.
2.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与转化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　能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A对；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错；在热传递的过程中，能量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C对、D错.
3.以下说法正确的是(　　)
A.热量不仅可以从高温物体传到低温物体，也可自发地从低温物体传到高温物体
B.空调等设备就是利用了热传导的方向性
C.无论采用什么方法，都不可能把热量从低温物体传递给高温物体
D.热量能自发地传递的条件是必须存在“温度差”
答案　D
解析　热传导具有方向性，热量可以自发地由高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体，但不能自发地进行，故A错；空调等可以将热量由低温物体传到高温物体，但消耗了电能，故B、C错.
题组二　热力学第二定律的理解
4.关于热力学定律和分子动理论，下列说法中正确的是(　　)
A.我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化
B.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，这在原理上是可行的
C.在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小
D.温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大
答案　B
解析　由热力学第二定律可知，A错误、B正确；由分子间作用力与分子间距的关系可知，C项错误；温度升高时，物体中分子平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，即并不是每个分子的运动速率都增大，故D项错误.
5.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，而不引起其他的变化
B.只要对内燃机不断改进，就可以使内燃机的效率达到100%
C.满足能量守恒定律的物理过程都能自发的进行
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；满足能量守恒的过程未必能自发进行，因为还要看是否满足热力学第二定律，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.
6.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.关于这一现象的正确说法是(　　)
图1
A.这一实验不违背热力学第二定律
B.在实验过程中，热水温度降低，冷水温度升高
C.在实验过程中，热水的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　自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律，本实验现象也不违反热力学第二定律，A正确；整个过程中能量守恒且热传递有方向性，B正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误.注意与热现象有关的宏观现象的方向性，这是应用热力学第二定律的关键.
7.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反热力学第二定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
答案　BC
解析　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，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热现象，故C正确、D错误；根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，A错误、B正确.故选B、C.
8.下列关于气体在真空中的扩散规律的叙述中正确的是(　　)
A.气体分子数越小，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越小
B.气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C.扩散到真空容器中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大
D.气体向真空中扩散时，总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行
答案　CD
解析　由热力学第二定律的微观解释“一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行”和熵的概念可知，C、D正确.
题组三　综合应用
9.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.热机必须是具有两个热库，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　开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他变化，比如气体等温膨胀，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，只要Q2≠0，η≠1，如果Q2＝0，则低温热库不存在，违背了开尔文表述，故C错误、D正确.
10.用隔板将一绝热容器隔成A和B两部分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空(如图3甲所示)，现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如图乙所示)，这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法正确的是(　　)
图3
A.自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动
B.自由膨胀前后，气体的压强不变
C.自由膨胀前后，气体的温度不变
D.容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到A部分
答案　C
解析　由分子动理论知，气体分子的热运动是永不停息地做无规则运动，故选项A错误；由能量守恒定律知，气体膨胀前后内能不变，又因一定质量理想气体的内能只与温度有关，所以气体的温度不变，故选项C正确；由＝常量，所以气体压强变小，故选项B错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界影响的情况下，容器中的气体不能自发地全部回到容器的A部分，故选项D错误.
11.关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A.为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量
B.对某物体做功，必定会使该物体的内能增加
C.不可能使热量从低温物体传向高温物体
D.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
答案　AD
解析　由ΔU＝W＋Q可知做功和热传递是改变内能的两种途径.它们具有等效性，故A正确.热量只是不能自发的从低温物体传向高温物体，则C项错；一切与热现象有关的宏观过程不可逆，则D正确.
12.热力学第二定律常见的表述有两种.
第一种表述：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；
第二种表述：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.
图4甲是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体.请你根据第二种表述完成示意图乙.根据你的理解，热力学第二定律的实质是________.
图4
答案　见解析
解析　示意图如下图所示.
一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性.