第3节 热力学第二定律
第4节 熵——系统无序程度的量度
[教材链接] 1.(1)可逆过程 (2)不可逆过程
2.方向性
3.方向性
4.方向性
[科学探究] 由生活经验可知,不能,墨水扩散过程不可逆
例1 AD [解析] 此比喻中,从宏观上看,跳蚤从黄狗身上完全跳回黑狗身上使黄狗重新干净这一宏观的逆过程是不可能发生的,通过此比喻形象生动地说明了热力学第二定律的方向性,也能够说明气体向真空的自由膨胀是不可逆的,选项A、D正确.
[教材链接] 1.(1)低温 高温 (2)单一热源
2.(1)单一热源 完全 (2)第一定律 第二定律 (3)不可能
例2 AC [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正确,B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),C正确;热机效率无法达到100%,D错误.
例3 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;扩散现象具有方向性,因此两液体混合后不能自发地各自分开,D错误.
例4 BC [解析] 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,要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功,故A错误,B正确;电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律,故C正确,D错误.
[教材链接] 1.(1)有序 无序 (2)增大
2.(1)无序程度 (2)熵增加
3.能量品质
例5 B [解析] 熵是分子运动无序程度的量度,熵越大,分子运动无序程度越大,A、D正确;孤立系统中发生的任何实际过程,其能量的总值保持不变,而其熵值增加,B错误,C正确.
例6 C [解析] 自然界的能量总和是守恒的,能量不会减少,也不会消失,但有些能量使用以后品质下降,不可能再被利用,人类可以利用的能源是有限的,节约能源不仅能使我们长久利用能源,而且可以减小由于常规能源在使用中带来的污染,节约能源对人类社会的发展有很大的意义,故A、B、D错误,C正确.
随堂巩固
1.B C [解析] A中汽油的化学能转化为热机的机械能和内能,符合热力学第一定律.B中冷水倒入保温杯,若冷水和杯子的温度都降低,内能都变小,无其他力做功,能量消失,违背了热力学第一定律.C中热机工作时,从高温热源吸收的热量不可能全部转化为功,效率不可能达到100%,违背了热力学第二定律.D中冰箱可以通过做功从箱内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.
2.B [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的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.
3.C [解析] 热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是: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.本题中一定有外界的帮助,比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动,使气体膨胀对外做功,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热,全部用来对外做功,但引起了其他变化,所以此过程不违反热力学第二定律.第3节 热力学第二定律
第4节 熵——系统无序程度的量度
1.B [解析] 由题意可知,两者混合时是自动发生的,但两者分离时,要先加热后冷却,也就是说,向分离与向混合这两个方向的发展是可以通过过程是否自动完成、是否需要外加其他手段才能完成来区分的,因此,可以证明扩散是有方向性的,B正确,A、C、D错误.
2.BC [解析] 在引起其他变化的情况下,可以从单一热源吸热使之完全变成功,A错误;机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能,B正确;热机的效率不能达到100%,C正确;降低海水温度所需要的能量比释放出来的能量多,不能起到节约能源的作用,D错误.
3.BD [解析] 一切与热有关的自发过程都有方向性,如热传递,热量总是由高温物体自发地传向低温物体;在外界帮助下,热量可以从低温物体传向高温物体,电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体(冷冻食品)传向高温物体(周围的大气).故B、D正确,A、C错误.
4.BD [解析] 这种机器从海水中吸热全部转变为功,而不产生其他影响,这相当于第二类永动机,第二类永动机不违反热力学第一定律,但违反了热力学第二定律,不能造成,故B、D正确.
5.B [解析] 热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体,不违背热力学第二定律;任何热机效率都不可能达到100%,违背热力学第二定律;泥、水分离是机械能向内能的转化,不违背热力学第二定律;物体因摩擦力而停下来,是机械能向内能的转化,是自发过程,不违背热力学第二定律,故选B.
6.CD [解析] 热传递的过程中热量从温度高的物体向温度低的物体传递,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,而不是从有序运动状态向无序运动状态的转化;大量分子的运动不可能从无序运动自动转为有序运动;自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行.A、B错误,C、D正确.
7.D [解析] 由热力学第一定律ΔU=W+Q,改变内能的方式有做功和热传递,若W>0,而Q<0,则内能不一定增加,A项错误;同理气体吸收热量后,内能不一定增加,温度不一定升高,B项错误;在产生其他影响的情况下热量可以从低温物体传向高温物体,C项错误;功转变为热具有方向性,D项正确.
8.AB [解析] 一定质量的理想气体经历缓慢的绝热膨胀过程,Q=0,W<0,根据ΔU=W+Q可知,气体的内能减小,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;第一类永动机不可能制成是因为违背了能量守恒定律,故C错误;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.
9.D [解析] 能量在转化和转移过程中,总量是守恒的,但品质降低了,且现有可利用的能源有限,故我们要注意节约能源,选项D正确.
10.BD [解析] 根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,一定质量的理想气体放出热量,Q为负值,但若外界同时对气体做功,W为正,则其内能不一定减少,分子平均动能不一定减少,A错误;热力学第二定律是反映与热现象有关的宏观自然过程的方向性的定律,B正确;由热力学第二定律的开尔文表述可知热机的效率不可能达到100%,C错误;一定质量的理想气体膨胀时对外界做功,W为负值,当吸热Q<|-W|时内能减少,当吸热Q>|-W|时内能增加,当吸热Q=|-W|时内能不变,故它的内能可能减少,D正确.
11.BCD [解析] 挡板抽开后,由于左侧为真空,因此气体不对外做功,容器绝热,根据热力学第一定律得气体的内能不变,A错误;理想气体内能不变,温度不变,根据玻意耳定律,气体体积增大,所以压强减小,B正确;温度不变,分子平均动能不变,压强减小,则气体分子单位时间对气壁单位面积的碰撞次数减少,C正确;根据热力学第二定律可知热力学过程是有方向的,所以挡板左侧气体分子不能全部自发地回到右侧,D正确.
12.B [解析] 根据热力学第二定律,可知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,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.故选B.
13.AD [解析] 空气能热水器工作时将外界低温空气中的热收集起来然后通过压缩机再传给里面温度较高的水,使水的温度升高,故A、D正确,B错误;空气能热水器在工作时遵守热力学第一定律,故C错误.第3节 热力学第二定律
第4节 熵——系统无序程度的量度
学习任务一 可逆过程与不可逆过程
[教材链接] 阅读教材“可逆过程与不可逆过程”相关内容,完成下列填空:
1.可逆过程与不可逆过程
(1)可逆过程:一个系统由某一状态出发,经过某一过程到达另一状态,如果存在另一过程,它能使系统和外界完全复原,即系统回到原来的状态,同时消除原来过程对外界的一切影响,则原来的过程称为 .
(2)如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原,则原来的过程称为 .
2.热传递是不可逆过程,具有 .
3.功热转化这一热现象是不可逆的,具有 .
4.凡是与热现象有关的宏观过程都具有 .
[科学探究] 一滴墨水在清水中可以自发地扩散,直至扩散均匀,如图所示,那么扩散均匀后的墨水能否自发地再自动凝成一滴墨水呢,墨水的扩散过程是可逆的吗
例1 (多选)1986年8月在东京举行的国际物理教学研究会上一位代表对“微观过程可逆而宏观过程不可逆”的现象作了一个形象生动的比喻:一条黑狗生满了跳蚤,另一条黄狗是干净的,两条狗站在一起,跳蚤可以从黑狗身上跳到黄狗身上,也可以从黄狗身上跳到黑狗身上.跳蚤跳来跳去相当于微观过程是可逆的;但最后无论黄狗还是黑狗都不可能是干净的.即从宏观上看,跳蚤从黄狗身上完全跳回黑狗身上使黄狗重新干净这一宏观的逆过程是不可能发生的.通过上述比喻可知,下列选项正确的是 ( )
A.这一比喻形象生动地说明了热力学第二定律的方向性
B.这一比喻形象生动地说明了热力学第二定律不具备方向性
C.气体向真空的自由膨胀是可逆的
D.气体向真空的自由膨胀是不可逆的
学习任务二 热力学第二定律及第二类永动机
[教材链接] 阅读教材“热力学第二定律及第二类永动机”相关内容,完成下列填空:
1.热力学第二定律
(1)克劳修斯表述
不可能使热量从 物体传向 物体而不引起其他变化.
(2)开尔文表述
不可能从 吸取热量,使之完全用来做功而不引起其他变化.
2.第二类永动机
(1)定义
从 吸取热量并使之 转化为功而不引起其他变化的机器.
(2)第二类永动机不可能制成
第二类永动机并不违背热力学 ,但违背了热力学 .
(3)热力学第二定律的又一表述
第二类永动机是 实现的.
[物理观念]
(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,从而否定了第一类永动机 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
不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器 从单一热源吸热,全部用来对外做功而不引起其他变化的机器
违背能量守恒定律,不可能实现 不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律,不可能实现
例2 (多选)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.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
D.如果没有摩擦、漏气等,热机效率可以达到100%
[反思感悟]
例3 [2024·泉州期末] 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
[反思感悟]
例4 (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背热力学第二定律
D.电冰箱的工作原理违背热力学第二定律
[反思感悟]
【要点总结】
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源吸收热量,使之完全用来做功,但不是自发地或是产生了其他影响.
学习任务三 熵——系统无序程度的量度
[教材链接] 阅读教材“有序与无序、熵和熵增加原理、熵与能量退降”相关内容,完成下列填空:
1.有序与无序
(1)生活中符合某种规则的现象称为 ,反之称为 .规则越多,一个宏观状态对应的微观状态越少,出现的概率越小,我们称之为越有序.反之规则越少,一个宏观状态对应的微观状态就越多,出现的概率也越大,我们称之为越无序.
(2)热力学第二定律的微观本质:与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度 的方向进行.
2.熵和熵增加原理
(1)熵的定义
用来量度系统 的物理量叫作熵.
(2)熵增加原理
在孤立系统中的宏观过程必然朝着 的方向进行.
3.熵与能量退降
在熵增加的同时,一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态, 退化了,这种现象称为能量退降.
例5 [2024·泉州期末] 下列关于熵的说法错误的是 ( )
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的
D.熵值越大,代表系统分子运动越无序
[反思感悟]
例6 [2024·广东珠海一中月考] 下列说法中正确的是 ( )
A.自然界的能量总和是守恒的,因此节约能源毫无意义
B.能量被使用后就消失了,所以要节约能源
C.能源在使用过程中虽然能量的总量保持不变,但能量的品质下降了,所以要节约能源
D.能量耗散说明自然界的能量在不断减少
[反思感悟]
1.(热力学第一定律和热力学第二定律)[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
2.(热力学第一定律和热力学第二定律)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
3.(热力学第二定律)如图所示,气缸内盛有一定质量的理想气体,气缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与气缸壁光滑接触,且不漏气.现将活塞杆与外界连接,使其缓慢地
向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功.若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是( )
A.气体是从单一热源吸热,全部用来对外做功,因此该过程违反热力学第二定律
B.气体从单一热源吸热,但并未全部用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律
C.气体是从单一热源吸热,全部用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.以上说法都不对第3节 热力学第二定律 第4节 熵——系统无序程度的量度建议用时:40分钟
◆ 知识点一 热力学第二定律的理解
1.把水和酒精混合后,用蒸发的方式又可以分开,然后液化恢复到原来的状态,这说明 ( )
A.扩散现象没有方向性
B.将水和酒精分开时,引起了其他变化,故扩散具有方向性
C.将水和酒精分开时,并没有引起化学变化,故扩散现象没有方向性
D.用本题的实验,无法说明扩散现象是否具有方向性
2.(多选)[2024·福州二中月考] 下列说法正确的是 ( )
A.不可以从单一热源吸热使之完全变成功
B.机械能可以全部转化为内能,内能也可以全部转为机械能,但要引起其他变化
C.热机的效率不能达到100%
D.可以通过降低海水温度所释放出来的能量供人类使用,从而起到节约能源的作用
3.(多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气,这说明 ( )
A.热量能自发地从低温物体传给高温物体
B.在一定条件下,热量可以从低温物体传给高温物体
C.热量的传递过程不具有方向性
D.在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
4.(多选)若有人想制造一种使用于轮船上的机器,它从海水中吸热全部转变为功,而不产生其他影响,关于这种设想,下列说法正确的是 ( )
A.这种机器能造成
B.这种机器不能造成
C.这种机器违反了热力学第一定律
D.这种机器违反了热力学第二定律
5.[2024·南平期末] 以下现象违背热力学第二定律的是 ( )
A.一杯热茶在打开盖后,茶会自动变凉
B.没有漏气、没有摩擦的理想热机,其效率可能是100%
C.桶中浑浊的泥水静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离
D.在地面上运动的物体逐渐停下来,机械能全部变为内能
◆ 知识点二 对“熵——系统无序程度的量度”的理解
6.(多选)关于热力学第二定律的微观意义,下列说法中正确的是 ( )
A.大量分子无规则的热运动能够自发转变为有序运动
B.热传递的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
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.一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
◆ 知识点三 热力学第一定律和热力学第二定律的比较
7.关于热力学定律,下列说法正确的是 ( )
A.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加
B.质量一定的某种理想气体吸收热量后温度一定升高
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
8.(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.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律
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”
9.关于能量和能源,下列说法中正确的是 ( )
A.能量在转化和转移过程中,其总量有可能增加
B.能量在转化和转移过程中,其总量会不断减少
C.能量在转化和转移过程中总量保持不变,故节约能源没有必要
D.能量的转化和转移具有方向性,且现有可利用的能源有限,故必须节约能源
10.(多选)下列说法正确的是 ( )
A.一定质量的理想气体放出热量,则分子平均动能一定减少
B.热力学第二定律是反映与热现象有关的宏观自然过程的方向性的定律
C.根据热力学第二定律可知,热机的效率能达到100%
D.一定质量的理想气体膨胀时对外界做了功,它的内能可能减少
11.(多选)[2023·沈阳一中月考] 如图所示,一绝热容器中间有一挡板,右半边封闭有理想气体,左半边是真空.若把挡板抽开,右边气体将向左边膨胀,最后气体将均匀分布在整个容器中,下列说法正确的是 ( )
A.气体对外做功,内能减小
B.气体温度不变,压强减小
C.气体分子单位时间对气壁单位面积的碰撞次数减少
D.根据热力学第二定律,挡板左侧气体分子不能全部自发地回到右侧
12.[2024·厦门一中月考] 如图所示,两种不同的金属组成一个回路,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.Q113.(多选)[2024·山西大同期末] 如图是空气能热水器的工作原理示意图,它主要由储水箱、毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器等部件组成.制冷剂在毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器之间循环过程与我们所熟悉的电冰箱的制冷循环过程相同,其工作过程如下:
①液态制冷剂经过一段很细的毛细管缓慢地进入蒸发器,在蒸发器中迅速汽化,并从低温的空气中吸收热量.
②制冷剂汽化生成的蒸气被压缩机压缩后变成高温高压的蒸气进入冷凝器.
③在冷凝器中,高温高压的蒸气将热量传递给水并发生液化.制冷剂以此不断循环流动,使水的温度不断上升.下列说法正确的是 ( )
A.空气能热水器实现了“热量由低温物体(空气)传向高温物体(水)”
B.空气能热水器中的水被加热是由电直接加热的
C.空气能热水器的工作原理违反热力学第一定律
D.空气能热水器的制热系统能够不断地把空气的内能传给水,是因为其消耗了电能(共45张PPT)
第3节 热力学第二定律 第4节 熵——系统无序程度的量度
学习任务一 可逆过程与不可逆过程
学习任务二 热力学第二定律及第二类永动机
学习任务三 熵——系统无序程度的量度
备用习题
随堂巩固
学习任务一 可逆过程与不可逆过程
［教材链接］ 阅读教材“可逆过程与不可逆过程”相关内容，完成下列填空：
1.可逆过程与不可逆过程
(1) 可逆过程：一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为__________.
可逆过程
(2) 如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为____________.
不可逆过程
2.热传递是不可逆过程，具有________.
3.功热转化这一热现象是不可逆的，具有________.
4.凡是与热现象有关的宏观过程都具有________.
方向性
方向性
方向性
［科学探究］ 一滴墨水在清水中可以自发地扩散，直至扩散均匀，如图所示，那么扩散均匀后的墨水能否自发地再自动凝成一滴墨水呢，墨水的扩散过程是可逆的吗？
[答案] 由生活经验可知，不能，墨水扩散过程不可逆
例1 (多选)1986年8月在东京举行的国际物理教学研究会上一位代表对“微观过程可逆而宏观过程不可逆”的现象作了一个形象生动的比喻：一条黑狗生满了跳蚤，另一条黄狗是干净的，两条狗站在一起，跳蚤可以从黑狗身上跳到黄狗身上，也可以从黄狗身上跳到黑狗身上.跳蚤跳来跳去相当于微观过程是可逆的；但最后无论黄狗还是黑狗都不可能是干净的.即从宏观上看，跳蚤从黄狗身上完全跳回黑狗身上使黄狗重新干净这一宏观的逆过程是不可能发生的.通过上述比喻可知，下列选项正确的是( )
A.这一比喻形象生动地说明了热力学第二定律的方向性
B.这一比喻形象生动地说明了热力学第二定律不具备方向性
C.气体向真空的自由膨胀是可逆的
D.气体向真空的自由膨胀是不可逆的
[解析] 此比喻中，从宏观上看，跳蚤从黄狗身上完全跳回黑狗身上使黄狗重新干净这一宏观的逆过程是不可能发生的，通过此比喻形象生动地说明了热力学第二定律的方向性，也能够说明气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项A、D正确.
√
√
学习任务二 热力学第二定律及第二类永动机
［教材链接］ 阅读教材“热力学第二定律及第二类永动机”相关内容，完成下列填空：
1.热力学第二定律
(1) 克劳修斯表述
不可能使热量从______物体传向______物体而不引起其他变化.
(2) 开尔文表述
不可能从__________吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化.
低温
高温
单一热源
2.第二类永动机
(1) 定义
从__________吸取热量并使之______转化为功而不引起其他变化的机器.
单一热源
完全
(2) 第二类永动机不可能制成
第二类永动机并不违背热力学__________，但违背了热力学___________.
第一定律
第二定律
(3) 热力学第二定律的又一表述
第二类永动机是________实现的.
不可能
［物理观念］
(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,从而否定了第一类永动机 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
不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器 从单一热源吸热,全部用来对外做功而不引起其他变化的机器
违背能量守恒定律,不可能实现 不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律,不可能实现
例2 (多选)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.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
D.如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到
√
√
[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正确，B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)，C正确；热机效率无法达到，D错误.
例3 [2024·泉州期末] 下列过程中可能发生的是( )
A.某种物质从高温热源吸收的热量，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
√
[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；扩散现象具有方向性，因此两液体混合后不能自发地各自分开，D错误.
例4 (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背热力学第二定律
D.电冰箱的工作原理违背热力学第二定律
√
√
[解析] 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，要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功，故A错误，B正确；电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律，故C正确，D错误.
【要点总结】
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源吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响.
学习任务三 熵——系统无序程度的量度
［教材链接］ 阅读教材“有序与无序、熵和熵增加原理、熵与能量退降”相关内容，完成下列填空：
1.有序与无序
(1) 生活中符合某种规则的现象称为______，反之称为______.规则越多，一个宏观状态对应的微观状态越少，出现的概率越小，我们称之为越有序.反之规则越少，一个宏观状态对应的微观状态就越多，出现的概率也越大，我们称之为越无序.
有序
无序
(2) 热力学第二定律的微观本质：与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度______的方向进行.
增大
2.熵和熵增加原理
(1) 熵的定义
用来量度系统__________的物理量叫作熵.
(2) 熵增加原理
在孤立系统中的宏观过程必然朝着________的方向进行.
无序程度
熵增加
3.熵与能量退降
在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态，__________退化了，这种现象称为能量退降.
能量品质
例5 [2024·泉州期末] 下列关于熵的说法错误的是( )
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中，一个自发的过程熵总是向减少的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的
D.熵值越大，代表系统分子运动越无序
[解析] 熵是分子运动无序程度的量度，熵越大，分子运动无序程度越大，A、D正确；孤立系统中发生的任何实际过程，其能量的总值保持不变，而其熵值增加，B错误，C正确.
√
例6 [2024·广东珠海一中月考] 下列说法中正确的是( )
A.自然界的能量总和是守恒的,因此节约能源毫无意义
B.能量被使用后就消失了,所以要节约能源
C.能源在使用过程中虽然能量的总量保持不变,但能量的品质下降了,所以要节约能源
D.能量耗散说明自然界的能量在不断减少
√
[解析] 自然界的能量总和是守恒的,能量不会减少,也不会消失,但有些能量使用以后品质下降,不可能再被利用,人类可以利用的能源是有限的,节约能源不仅能使我们长久利用能源,而且可以减小由于常规能源在使用中带来的污染,节约能源对人类社会的发展有很大的意义,故A、B、D错误,C正确.
1.(多选)倒一杯热水,然后加入适量的糖后,糖会全部溶于水中,但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶.关于这个过程,下列叙述正确的是( )
A.溶解过程是自发的,结晶过程也是自发的,因此热力学第二定律是错误的
B.溶解过程是有序向无序转变的过程
C.结晶过程是有序向无序转变的过程
D.结晶过程不是自发的,因为有外界的影响
√
√
[解析] 溶解过程是自发的,是有序向无序转变的过程;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,是由无序向有序的转变过程,故选项B、D正确,选项A、C错误.
2.17世纪70年代,英国赛斯特城的约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”,如图所示,在斜坡顶上放一块强有力的磁铁,斜坡上端有一个小孔,斜坡下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道,维尔金斯认为:如果在斜坡底端放一个小铁球,那么由于磁铁的吸引,小铁球就会向上运动,当小球运动到小孔P处时,它就要掉下,再沿着斜坡下的弯曲轨道返回斜坡底端Q,由于有速度而可以对外做功,然后又被磁铁吸引回到上端,到小孔P处又掉下.下列关于维尔金斯“永动机”,正确的认识应该是( )
A.满足能量守恒定律,所以可能实现
B.如果忽略斜坡的摩擦,维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜坡的摩擦,铁球质量较小,磁铁磁性又较强,则
维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律,不可能实现
√
[解析] 维尔金斯“永动机”不可能实现,因为它违背了能量守恒定律.铁球上升过程中,磁场力对铁球做正功,使铁球增加了机械能;但铁球下落时,同样也受到磁场力,而且磁场力做负功,这个负功与上升过程的正功相互抵消,可见,维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量,所以,维尔金斯“永动机”不可能实现,故选D.
3.下列说法正确的是( )
A.第二类永动机不可能制成的原因是违背能量守恒定律
B.热力学第二定律可表述为所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性
C.因为能量守恒,所以能源危机是不可能的
D.摩擦力做功的过程,必定有机械能转化为内能
√
[解析] 维尔金斯“永动机”不可能实现,因为它违背了能量守恒定律.铁球上升过程中,磁场力对铁球做正功,使铁球增加了机械能;但铁球下落时,同样也受到磁场力,而且磁场力做负功,这个负功与上升过程的正功相互抵消,可见,维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量,所以,维尔金斯“永动机”不可能实现,故选D.
4.对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解,下列说法正确的是( )
A.一定质量的气体膨胀对外做功100 J,同时从外界吸收80 J的热量,则它的内能增大20 J
B.物体从外界吸收热量,其内能一定增加;物体对外界做功,其内能一定减少
C.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在热传递中,热量能从高温物体传递给低温物体,而不能从低温物体传递给高温物体
D.热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象,能量耗散符合热力学第二定律
√
[解析] 根据热力学第一定律知ΔU=W+Q=-100 J+80 J=-20 J,它的内能减少20 J,故A错误;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知物体从外界吸收热量,其内能不一定增加,物体对外界做功,其内能不一定减少,故B错误;通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体,如电冰箱,故C错误;能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性,符合热力学第二定律,故D正确.
5. (多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是( )
A.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,这样的热机叫作第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能
D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
√
√
[解析] 根据第二类永动机的定义可知,选项A正确;第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,选项B错误;机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能,选项C错误,D正确.
6.下列过程中,可能实现的是( )
A.水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能
B.内燃机气缸内气体的内能全部转化为机械能
C.在粗糙水平面上运动的物体,它的动能转化为内能,使物体温度升高
D.静止在光滑水平面上的物体,温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能,使物体运动起来
√
[解析] 根据能量转化和转移的方向性可知,物体温度下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能,故A、B错误;在粗糙水平面上运动的物体,它的动能会转化为内能,使物体温度升高,故C正确;静止在光滑水平面上的物体,温度降低时释放的内能在非特定的情况下会向周围释放,并不会使物体运动起来,故D错误.
7.下列关于熵的说法错误的是( )
A.熵是物体内分子运动无序程度的量度
B.在孤立系统中,一个自发的过程熵总是向减少的方向进行
C.热力学第二定律的微观实质是熵是增加的
D.熵值越大,代表系统分子运动越无序
√
[解析] 熵是分子运动无序程度的量度,熵越大,分子运动无序程度越大,A、D正确;孤立系统中发生的任何实际过程,其能量的总值保持不变,而其熵值增加,B错误,C正确.
8.下列说法中正确的是( )
A.自然界的能量总和是守恒的,因此节约能源毫无意义
B.能量被使用后就消失了,所以要节约能源
C.能源在使用过程中虽然能量的总量保持不变,但能量的品质下降了,所以要节约能源
D.能量耗散说明自然界的能量在不断减少
√
[解析] 自然界的能量总和是守恒的,能量不会减少,也不会消失,但能量使用以后品质下降,不可能再被利用,人类可以利用的能源是有限的,节约能源不仅能使我们长久利用能源,而且可以减小由于常规能源在使用中带来的污染,节约能源对人类社会的发展有很大的意义,故A、B、D错误,C正确.
1.(热力学第一定律和热力学第二定律)[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
B
C
[解析] A中汽油的化学能转化为热机的机械能和内能,符合热力学第一定律中冷水倒入保温杯,若冷水和杯子的温度都降低,内能都变小,无其他力做功,能量消失,违背了热力学第一定律中热机工作时,从高温热源吸收的热量不可能全部转化为功,效率不可能达到,违背了热力学第二定律中冰箱可以通过做功从箱内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.
2.(热力学第一定律和热力学第二定律)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的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.
3.(热力学第二定律)如图所示，气缸内盛有一定质量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁光滑接触，且不漏气.现将活塞杆与外界连接，使其缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功.若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是( )
A.气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，因此该过程违反热力学第二定律
B.气体从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律
C.气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律
D.以上说法都不对
√
[解析] 热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是：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.本题中一定有
外界的帮助，比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全部用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律.
