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高中物理人教版选择性必修三教案
第三章 热力学定律
第3.4节 热力学第二定律
学习目标
1.知道一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
2.知道热力学第二定律的两种表述内容,并能运用该定律解决一些实际问题。
3.了解自然界中的能量转化和转移,知道能量耗散的概念。
课前导学
基础知识导学
热力学第二定律
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
(1)热传导的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是________．
(2)热力学第二定律的克劳修斯表述：德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从________物体传到________物体．热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的________．
点睛：
克劳修斯的描述可以说：热量能从低温物体传到高温物体，但需要第三者参与，对第三者产生影响．
2．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________变成工作物质的________．第二个阶段是工作物质对外________，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．
(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方向性)
拓展：
开尔文的表述相当于：不可能制造成这样一种机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不产生其他影响．这是对热机工作的总结．
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．
知识点探究
知识点一 热力学第二定律
1.方向性:一切与热现象有关的宏观自然现象都是不可逆的,反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
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。这里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。
5.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的宏观过程的方向性,进而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。
6.热力学过程的方向性实例
(1)高温物体低温物体。
(2)机械能内能。
(3)气体体积V1气体体积V2。
(较小) (较大)
(4)不同气体A和B混合气体AB。
【思考】
如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,通过此图思考以下问题:
(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗
(2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功
提示 (1)不是 (2)不能
例1 (多选)根据热力学第二定律可知,下列说法中正确的是( )
A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体
B.热量能够从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传到高温物体
C.机械能可以全部转化为内能
D.内能可以全部转化为机械能而不引起其他变化
答案 BC
解析 根据传热的方向性可知,热量可以自发地从高温物体传到低温物体,但不能自发地从低温物体传到高温物体,如果借助外界的帮助,热量可以从低温物体传到高温物体,故A错误,B正确;机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功且最终停止运动时,机械能全部转化为内能),内能无法全部转化为机械能而不引起其他变化,故C正确,D错误。
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库吸收热量,使之完全用来做功,但不是自发地或是产生了其他影响。
训练1 如图所示,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,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气,现通过活塞杆使活塞缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法中正确的是( )
A.气体是从单一热源吸热,并全部用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律
B.气体是从单一热源吸热,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,并全部用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.气体不是从单一热源吸热,且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
答案 C
解析 汽缸壁是导热的,外界环境温度不变,活塞杆与外界连接,使活塞缓慢地向右移动过程中,有足够时间进行热交换,气体等温膨胀,所以汽缸内的气体温度不变,内能也不变,则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,但此过程既不违背热力学第二定律,也不违背热力学第一定律,此过程由外力对活塞做功来维持,如果没有外力F对活塞做功,此过程不可能发生,故C正确。
知识点二 热力学第一定律和热力学第二定律的比较
1.两定律的比较
热力学第一定律 热力学第二定律
定律揭示的问题 从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系 指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的
机械能和内能的转化 当摩擦力做功时,机械能可以全部转化为内能 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
热量的传递 热量可以从高温物体自发地传向低温物体 热量不能自发地从低温物体传向高温物体
表述形式 只有一种表述形式 有多种表述形式
两定律的关系 在热力学中,两定律既相互独立,又互为补充,共同构成了热力学知识的理论基础
2.两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
设计要求 不消耗任何能量,可以不断做功 将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化
不可能制成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
例2 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背了热力学第一定律
B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能
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
答案 D
解析 第一类永动机违背了能量守恒定律,第二类永动机违背热力学第二定律,A、B错误;由热力学第一定律可知W≠0,Q≠0,但ΔU=Q+W可以等于0,C错误;由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的,但会产生其他影响,D正确。
训练2 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
答案 B
解析 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。
知识点三 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守恒,但能量的品质下降了,能源减少了。
【思考】
(1)燃烧的煤炭将化学能转化为内能散失到周围的环境中,这一过程中能量是否守恒 燃烧时的化学能与散失到环境中的内能,哪一种能量容易被人们利用
(2)既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源
提示 (1)守恒 燃烧时的化学能更容易被人们利用。
(2)能量被利用的过程中,总有一部分能量会以内能的形式散失到周围的环境中而不能被利用,所以我们要节约能源。
例3 下列说法正确的是( )
A.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
B.在能源的利用过程中,由于能量在数量上并未减少,所以不需要节约能源
C.能源在使用后都转化成了内能,能源消耗使得周围环境升温
D.能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能量的总量并不减少,但能量品质提升了
答案 C
解析 根据能量守恒定律,能量是不能被创造的,选项A错误;在能源的利用过程中,虽然能量在数量上并未减少,但是能源的品质在降低,所以需要节约能源,选项B错误;由能量耗散知能源的使用是向内能转化过程,会使得环境升温,选项C正确;能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能量的总量并不减少,但能量品质降低了,选项D错误。
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。
训练3 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
答案 D
解析 能量在转化和转移过程中总量保持不变,但能量的转化和转移具有方向性,耗散的能量难以收集再利用,且现有可利用的能源有限,所以我们要注意节约能源,A、B、C错误,D正确。
随堂对点自测
1.(热力学第二定律)热力学第二定律常见的表述方式有两种,其一:热量不能自发地从低温物体传到高温物体;其二: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如图所示制冷机工作示意图来表示,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,则下列示意图中正确的是( )
答案 B
解析 对于第二种表述方式,热机工作时,从高温热库吸收热量,只有一部分用来对外做功,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温热库,故B正确,A、C、D错误。
2.(热力学第一定律和热力学第二定律的比较)(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,适用于所有的热学过程,故C正确;再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,故A、D错误,B正确。
3.(能源是有限的)(多选)关于能量和能量耗散,下列说法正确的是( )
A.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性
B.能量耗散表明能源的利用是有条件的,也是有代价的
C.能量耗散表明能量会消失,能量不守恒
D.能量之间可以相互转化,故能源循环利用很方便
答案 AB
解析 能量守恒定律是普遍规律,能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发过程具有方向性,耗散过程中能量也是守恒的,故A正确,C错误;能量耗散表明能源的利用是有条件的,也是有代价的,如煤炭和石油燃烧会造成空气污染和温室效应,故B正确;能量之间可以相互转化,但是这种转化具有方向性,耗散的能量很难再收集起来重新利用,故D错误。
课后巩固训练
对点题组练
题组一 热力学第二定律
1.有人设想用降低海水温度的方法就可以得到大量的能量,相当于一个很好的永动机,关于这样的永动机,下列说法中正确的是( )
A.这样做可以成功,因为它符合能量守恒定律
B.这样做不能成功,因为它违反热力学第一定律
C.这样做可以成功,因为它符合热力学第二定律
D.这样做不能成功,因为它违反热力学第二定律
答案 D
解析 第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,内能与机械能之间的转化具有方向性,这是第二类永动机不可能制成的原因,所以想用降低海水温度的方法就可以得到大量的能量而制成的永动机是不能成功的,故D正确。
2.(多选)下列说法正确的是( )
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与热现象有关的宏观过程的方向性,A正确;不违反能量守恒定律但违反热力学第二定律的物理过程不可能实现,B错误;热力学第二定律反映宏观自然过程的方向性,C正确,D错误。
3.(2025·宁夏石嘴山高二下期末)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—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
答案 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;扩散现象有方向性,因此混合后不能自发地各自分开,D错误。
4.用隔板将一容器隔成A和B两部分,A中盛有一定量的气体,B为真空(如图甲),现把隔板抽去,A中的气体将自动充满整个容器(如图乙),这个过程称为气体的自由膨胀。则关于气体的自由膨胀下列说法正确的是( )
A.在自由膨胀过程中,所有气体分子的运动方向相同
B.在自由膨胀过程中,只要把握好隔板插入的时机,全部气体就能到达B部分
C.气体充满整个容器后,只要时间足够长,还能全部自动回到A部分
D.气体充满整个容器后,B部分中的某些气体分子有可能再回到A部分
答案 D
解析 自由膨胀过程中,所有气体分子的运动方向不一定相同,A错误;自由膨胀的最后结果是左、右两部分气体均匀,不可能全部转移到B部分,B错误;自由膨胀是有方向性的热运动,逆过程不能自发进行,需要外界的帮助,C错误,D正确。
题组二 热力学第一定律和热力学第二定律的比较
5.(多选)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120 J的热量,则它的内能增加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.第二类永动机违反了热力学第二定律,没有违反热力学第一定律
D.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在传热中,热量只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
答案 AC
解析 根据热力学第一定律得ΔU=Q+W=120 J-100 J=20 J,说明内能增加了20 J,故A正确;根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知ΔU的大小由W、Q共同决定,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;第二类永动机没有违反热力学第一定律,不能制成是因为它违反了热力学第二定律,故C正确;通过做功的方式可以使热量从低温物体传递给高温物体,如电冰箱制冷时热量从低温物体传递给高温物体,故D错误。
题组三 能源是有限的
6.(多选)下列关于能源的说法中正确的是( )
A.能源是取之不尽,用之不竭的
B.能源是有限的,特别是常规能源,如煤、石油、天然气等
C.大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源
D.核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大
答案 BC
解析 尽管能量守恒,但耗散后无法重新收集利用,所以能源是有限的,特别是常规能源,故A错误,B正确;常规能源的利用比新能源核能的利用对环境影响大,提倡开发新能源,故C正确,D错误。
7.人人选择绿色出行方式,个个践行低碳生活理念,“低碳”要求我们节约及高效利用能源,关于能源与能量,下列说法中正确的是( )
A.能量被使用后就消失了,所以要节约能源
B.自然界中石油、煤炭等能源可供人类长久使用
C.人类应多开发和利用风能、太阳能、核能等新能源
D.人类不断地开发和利用新的能源,所以能量可以被创造
答案 C
解析 根据能量守恒定律,能量不会消失也不会被创造,故A、D错误;自然界中石油、煤炭等能源是不可再生资源,不能被人类长久使用,故B错误;风能、太阳能、核能等清洁的新能源,人类应多开发和利用,故C正确。
综合提升练
8.(多选)(2025·吉林延边高二下月考)根据热力学定律,下列说法正确的有( )
A.一切符合能量守恒定律的宏观过程都能发生
B.电冰箱的工作原理表明,热量可以从低温物体向高温物体传递
C.科技的不断进步使得人类有可能生产出单一热源的热机
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
答案 BD
解析 热运动的宏观过程会有一定的方向性,符合能量守恒定律的宏观过程并不能都发生,A错误;电冰箱的工作原理表明,热量可以从低温物体向高温物体传递,但要引起其他变化,B正确;根据热力学第二定律可知,人类不可能生产出单一热源的热机,C错误;根据热力学第二定律可知,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,D正确。
9.(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.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”
答案 AB
解析 一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程,Q=0,W<0,根据ΔU=Q+W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;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。
10.(多选)(2025·湖南郴州高二下期末)下列现象及关于热力学第一、第二定律的叙述正确的是( )
A.一定质量的理想气体在等温膨胀过程中,一定从外界吸收热量
B.热力学第一定律和热力学第二定律是从不同角度阐述了能量守恒定律
C.0 ℃的冰融化为0 ℃的水,此过程系统吸收热量,内能增加
D.第二类永动机违背了热力学第一定律
答案 AC
解析 一定质量的理想气体在等温膨胀过程中,由于温度不变,则内能不变,气体膨胀,对外做功,根据热力学第一定律,气体一定从外界吸收热量,A正确;热力学第一定律阐述了能量守恒定律,而热力学第二定律阐述能量流动的方向性定律,两者不同,B错误; 0℃的冰融化为0 ℃的水,此过程系统吸收热量,根据热力学第一定律,可知内能增加,C正确;第二类永动机违背了热力学第二定律,D错误。
11.(多选)把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中,过一会儿,鸡蛋的温度降低,水的温度升高,最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程,即原来温度相同的水和鸡蛋,过一会儿,水的温度自发地降低,而鸡蛋的温度升高,这样的现象我们从来没看到过。燃料燃烧时一旦把热量释放出去,就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能,电能又通过灯泡转化为内能和光能,热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能,我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明( )
A.在能源利用的过程中,能量会减少,能量守恒定律不成立
B.我们在利用能源时,能量会耗散,自然界可利用的能源会越来越少
C.与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,能量转化具有方向性
D.自然界中发生的能量转化都是不可逆的,各种能量最终都会转化为内能
答案 BC
解析 在能源利用的过程中,能量不会减少,能量守恒定律依然成立,但是能量会发生耗散,在可利用的品质上会降低,从便于利用的能源变成不便于利用的能源,因此自然界可利用的能源会越来越少,故A错误,B正确;与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,能量转化具有方向性,故C正确;自然界中发生的能量转化在自发情况下都是不可逆的,但在其他外在条件介入的情况下可以发生逆过程,能量的转移和转化具有方向性,各种能量最终都会转化为内能,故D错误。
培优加强练
12.(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图,一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中,然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是( )
A.A端为冷端,B端为热端
B.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C.A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律,但违背了热力学第二定律
答案 AB
解析 分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位,从B端流出,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,根据温度是分子平均动能的标志可知,B端为热端,A端为冷端,A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的,选项A、B正确;理想气体的内能只与温度和质量有关,根据题述,无法得知两端流出气体的质量关系,所以不能判断出两端流出气体的内能关系,选项C错误;该装置将冷热不均的气体进行分离,喷嘴处有高压,即通过外界做功而实现,并非自发进行,不违背热力学第二定律,选项D错误。
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第三章 热力学定律
第3.4节 热力学第二定律
学习目标
1.知道一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
2.知道热力学第二定律的两种表述内容,并能运用该定律解决一些实际问题。
3.了解自然界中的能量转化和转移,知道能量耗散的概念。
课前导学
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热力学第二定律
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
(1)热传导的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是________．
(2)热力学第二定律的克劳修斯表述：德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从________物体传到________物体．热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的________．
点睛：
克劳修斯的描述可以说：热量能从低温物体传到高温物体，但需要第三者参与，对第三者产生影响．
2．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________变成工作物质的________．第二个阶段是工作物质对外________，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．
(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方向性)
拓展：
开尔文的表述相当于：不可能制造成这样一种机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不产生其他影响．这是对热机工作的总结．
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．
知识点探究
知识点一 热力学第二定律
1.方向性:一切与热现象有关的宏观自然现象都是不可逆的,反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
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。这里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。
5.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的宏观过程的方向性,进而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。
6.热力学过程的方向性实例
(1)高温物体低温物体。
(2)机械能内能。
(3)气体体积V1气体体积V2。
(较小) (较大)
(4)不同气体A和B混合气体AB。
【思考】
如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,通过此图思考以下问题:
(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗
(2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功
提示 (1)不是 (2)不能
例1 (多选)根据热力学第二定律可知,下列说法中正确的是( )
A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体
B.热量能够从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传到高温物体
C.机械能可以全部转化为内能
D.内能可以全部转化为机械能而不引起其他变化
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库吸收热量,使之完全用来做功,但不是自发地或是产生了其他影响。
训练1 如图所示,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,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气,现通过活塞杆使活塞缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法中正确的是( )
A.气体是从单一热源吸热,并全部用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律
B.气体是从单一热源吸热,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,并全部用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.气体不是从单一热源吸热,且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
知识点二 热力学第一定律和热力学第二定律的比较
1.两定律的比较
热力学第一定律 热力学第二定律
定律揭示的问题 从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系 指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的
机械能和内能的转化 当摩擦力做功时,机械能可以全部转化为内能 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
热量的传递 热量可以从高温物体自发地传向低温物体 热量不能自发地从低温物体传向高温物体
表述形式 只有一种表述形式 有多种表述形式
两定律的关系 在热力学中,两定律既相互独立,又互为补充,共同构成了热力学知识的理论基础
2.两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
设计要求 不消耗任何能量,可以不断做功 将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化
不可能制成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
例2 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背了热力学第一定律
B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能
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
训练2 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
知识点三 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守恒,但能量的品质下降了,能源减少了。
【思考】
(1)燃烧的煤炭将化学能转化为内能散失到周围的环境中,这一过程中能量是否守恒 燃烧时的化学能与散失到环境中的内能,哪一种能量容易被人们利用
(2)既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源
例3 下列说法正确的是( )
A.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
B.在能源的利用过程中,由于能量在数量上并未减少,所以不需要节约能源
C.能源在使用后都转化成了内能,能源消耗使得周围环境升温
D.能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能量的总量并不减少,但能量品质提升了
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。
训练3 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
随堂对点自测
1.(热力学第二定律)热力学第二定律常见的表述方式有两种,其一:热量不能自发地从低温物体传到高温物体;其二: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如图所示制冷机工作示意图来表示,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,则下列示意图中正确的是( )
2.(热力学第一定律和热力学第二定律的比较)(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二定律
3.(能源是有限的)(多选)关于能量和能量耗散,下列说法正确的是( )
A.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性
B.能量耗散表明能源的利用是有条件的,也是有代价的
C.能量耗散表明能量会消失,能量不守恒
D.能量之间可以相互转化,故能源循环利用很方便
课后巩固训练
对点题组练
题组一 热力学第二定律
1.有人设想用降低海水温度的方法就可以得到大量的能量,相当于一个很好的永动机,关于这样的永动机,下列说法中正确的是( )
A.这样做可以成功,因为它符合能量守恒定律
B.这样做不能成功,因为它违反热力学第一定律
C.这样做可以成功,因为它符合热力学第二定律
D.这样做不能成功,因为它违反热力学第二定律
2.(多选)下列说法正确的是( )
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
3.(2025·宁夏石嘴山高二下期末)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—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
4.用隔板将一容器隔成A和B两部分,A中盛有一定量的气体,B为真空(如图甲),现把隔板抽去,A中的气体将自动充满整个容器(如图乙),这个过程称为气体的自由膨胀。则关于气体的自由膨胀下列说法正确的是( )
A.在自由膨胀过程中,所有气体分子的运动方向相同
B.在自由膨胀过程中,只要把握好隔板插入的时机,全部气体就能到达B部分
C.气体充满整个容器后,只要时间足够长,还能全部自动回到A部分
D.气体充满整个容器后,B部分中的某些气体分子有可能再回到A部分
题组二 热力学第一定律和热力学第二定律的比较
5.(多选)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120 J的热量,则它的内能增加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.第二类永动机违反了热力学第二定律,没有违反热力学第一定律
D.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在传热中,热量只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
题组三 能源是有限的
6.(多选)下列关于能源的说法中正确的是( )
A.能源是取之不尽,用之不竭的
B.能源是有限的,特别是常规能源,如煤、石油、天然气等
C.大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源
D.核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大
7.人人选择绿色出行方式,个个践行低碳生活理念,“低碳”要求我们节约及高效利用能源,关于能源与能量,下列说法中正确的是( )
A.能量被使用后就消失了,所以要节约能源
B.自然界中石油、煤炭等能源可供人类长久使用
C.人类应多开发和利用风能、太阳能、核能等新能源
D.人类不断地开发和利用新的能源,所以能量可以被创造
综合提升练
8.(多选)(2025·吉林延边高二下月考)根据热力学定律,下列说法正确的有( )
A.一切符合能量守恒定律的宏观过程都能发生
B.电冰箱的工作原理表明,热量可以从低温物体向高温物体传递
C.科技的不断进步使得人类有可能生产出单一热源的热机
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
9.(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.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”
10.(多选)(2025·湖南郴州高二下期末)下列现象及关于热力学第一、第二定律的叙述正确的是( )
A.一定质量的理想气体在等温膨胀过程中,一定从外界吸收热量
B.热力学第一定律和热力学第二定律是从不同角度阐述了能量守恒定律
C.0 ℃的冰融化为0 ℃的水,此过程系统吸收热量,内能增加
D.第二类永动机违背了热力学第一定律
11.(多选)把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中,过一会儿,鸡蛋的温度降低,水的温度升高,最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程,即原来温度相同的水和鸡蛋,过一会儿,水的温度自发地降低,而鸡蛋的温度升高,这样的现象我们从来没看到过。燃料燃烧时一旦把热量释放出去,就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能,电能又通过灯泡转化为内能和光能,热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能,我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明( )
A.在能源利用的过程中,能量会减少,能量守恒定律不成立
B.我们在利用能源时,能量会耗散,自然界可利用的能源会越来越少
C.与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,能量转化具有方向性
D.自然界中发生的能量转化都是不可逆的,各种能量最终都会转化为内能
培优加强练
12.(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图,一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中,然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是( )
A.A端为冷端,B端为热端
B.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C.A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律,但违背了热力学第二定律
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