4．4 描述无序程度的物理量
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．热量一定不可能从低温物体传给高温物体
解析：选AC.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，而热量只能自发地从高温物体传给低温物体．
2．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或不变，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加无序的状态发展
D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
解析：选AC.根据熵增加原理，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少可知，A对，B错．根据热力学第二定律的微观解释可知，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，所以C对，D错．
3．第二类永动机不可能制成，这是因为( )
A．它违背了能量守恒定律
B．热量总是从高温物体传递到低温物体
C．机械能不可能全部转变为内能
D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
解析：选D.第二类永动机的设想虽然符合能量守恒定律，但是违背了能量转化过程中，有些过程是不可逆的规律，所以不可能制成，故选D.
4．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：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．
图4－3－4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4－3－4
解析：示意图如图所示．
答案：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性．
一、选择题
1．(2011年廊坊高二检测)热力学第二定律指出( )
A．不可能使热量由低温物体传递到高温物体
B．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功
C．热机效率η≤1
D．大量分子参与的宏观过程具有方向性
解析：选D.热力学第二定律指出，热量可以从低温物体传到高温物体，但要引起其他变化，故A错，B也错．热机效率要小于1，不能等于1，C也错．一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，D对．
2．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
解析：选CD.热力学第二定律的微观意义明确指出：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行，所以答案C、D正确．
3．关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( )
A．第二类永动机违反能量守恒定律
B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加
C．外界对物体做功，则物体的内能一定增加
D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的
解析：选D.第二类永动机违反热力学第二定律，并不是违反能量守恒定律，故A错；据热力学第一定律ΔU＝Q＋W知内能的变化由做功W和热传递Q两个方面共同决定，只知道做功情况或只知道传热情况无法确定内能的变化情况，故B、C错误；做功和热传递都可改变物体内能．但做功是不同形式能的转化，而热传递是同种形式能间的转移，这两种方式是有区别的，故D正确．
4．在一定速度下发生变化的孤立系统，其总熵的变化是( )
A．不变 B．可能增大或减小
C．总是增大 D．总是减小
解析：选C.根据熵增加原理可知，任何孤立系统熵是增加的，故C正确．
5．根据热力学第二定律分析，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，但变化的内能不可以全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为内能，变化的内能也可以全部转化为机械能
解析：选BD.根据热传递的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地(不需要外界帮助)从低温物体传到高温物体．借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱就是接通电源后，压缩机对“制冷剂”(氟利昂等)做功，把热量从冰箱内部(低温物体)传向外部(高温物体)达到制冷目的的，故选项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而最终停止运动时，机械能全部转化为内能)，在一定条件下，变化的内能也可以全部转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全部用来做功，因此选项C错误，选项D正确．
6．对热力学第二定律，下列理解正确的是( )
A．自然界进行的一切宏观过程都是可逆的
B．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的
C．热量不可能由低温物体传递到高温物体
D．第二类永动机违背了能量守恒定律，因此不可能制成
解析：选B.由热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化，由此说明热量由低温物体传到高温物体是可能的，但要引起其他变化，故C错；第二类永动机并不违反能量守恒，却违背了自然界涉及热现象宏观过程的方向性，故A、D错，B正确．
7.如图4－3－5所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁接触光滑，但不漏气，现将活塞杆与外界连接缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功．已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是( )
图4－3－5
A．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，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，但并未全用来对外做功，因此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．以上三种说法都不正确
解析：选C.此过程气体吸热膨胀内能不变，因此吸收的热量全部用来膨胀做功，但要发生这样的过程，必须借助外界某种变化，因此此过程不违反热力学第二定律，故C正确．
二、非选择题
8．下列所述过程是可逆的，还是不可逆的？
(1)汽缸与活塞组合中装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与汽缸间没有摩擦时
________________________________________________________________________；
(2)上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与汽缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时
________________________________________________________________________；
(3)上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时
________________________________________________________________________；
(4)在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高
________________________________________________________________________；
(5)一导热容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，液体不停地搅动，可保持温度不变________________________________________________________________________；
(6)在一绝热容器内，不同温度的液体进行混合____________________；
(7)在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合__________________________．
答案：(1)发生自由膨胀，则是不可逆过程
(2)有摩擦发生，是不可逆过程
(3)是准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程
(4)这是由功变为热，是不可逆过程．
(5)此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不可逆过程
(6)液体的扩散是不可逆过程．
(7)有一定温度差的热传导是不可逆过程
9.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4－3－6所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象．这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况．
图4－3－6
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，不违反热力学第二定律．
答案：不违反．热水温度降低，冷水温度升高，转化效率低于100%.
10.如图4－3－7所示，将一滴红墨水滴入一杯清水中，红墨水会逐渐扩散到整杯水中，呈均匀分布，试说明这个过程中熵的变化．
图4－3－7
解析：一滴红墨水和一杯清水这两个系统是比较有序的，也可以说无序程度较小，即熵值较小，当把这两个系统混合后，随着红墨水扩散的进行，系统内这种宏观状态的无序程度大大增强，所以系统的熵值大大增加．
答案：见解析
11．有人估算使地球上的海水降低0.1 ℃，就能放出5.8×1024J的热量，这相当于1800个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量．假定整个海洋都具有同一温度，你能设计一种只靠吸收海水的热量推动轮船航行，而不需要燃料的机器吗？
解析：这种靠吸收海水热量推动轮船航行的热机基本结构如图所示．设大气温度为t2，海水温度为t1，在不同的温差下，热机的工作情况不同．
当t2≥t1时，热机无法从海水中吸取热量对外做功，否则将需要一个用于放热的更低温的热源．
当t2答案：见解析
4．4 描述无序程度的物理量
教 学 目 标
知 识 脉 络
1.知道热传递及宏观过程的方向性．(重点)
2．理解热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质．(重点、难点)
3．明确什么是有序和无序，理解热力学第二定律的微观意义．(难点)
4．了解熵的概念.
热力学第二定律
1．自然过程的方向性
(1)热传递具有方向性：热量能够自发地从高温物体传到低温物体，却不可能自发地从低温物体传到高温物体．
(2)一切自发过程都是有方向性的，是不可逆的．
2．热机
(1)定义：一种把内能转化为机械能的装置．
(2)理想热机的工作原理：热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向低温热源(冷凝器)释放热量Q2.
(3)效率：由能量守恒定律知：Q1＝W＋Q2，而我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率，用η表示，即η＝.
(4)热机不可能把它得到的全部内能转化为机械能，即效率不可能达到100%.
3．热力学第二定律
(1)克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化．此表述揭示出热传递具有方向性．
(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．此表述揭示出能量在转化过程中具有方向性．
(3)第三种表述：第二类永动机是不可能制成的．
1．温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从低温物体传给高温物体．(×)
2．热传导的过程是具有方向性的．(√)
3．热量不能由低温物体传给高温物体．(×)
热量能自发地从高温物体传给低温物体，我们所说的“自发地”指的是没有任何的外界影响或者帮助．电冰箱是让“热”由低温环境传递到高温环境．这是不是自发进行的？说明理由．
图4-3-1
【提示】 电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体，在该过程中电冰箱要消耗电能．一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了，相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高．
1．对热力学第二定律的理解
(1)克劳修斯表述指明热传递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递过程是不可逆的．
(2)开尔文表述中的“单一热源”指温度恒定且均匀的热源．“不引起其他变化”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．其物理实质揭示了功变热过程是不可逆的．
(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宏观过程的方向性，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．
2．热力学第二定律与热力学第一定律的关系
(1)关于滑动摩擦力做功：热力学第一定律中，滑动摩擦力做功可以全部转化为热．热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全变成功．
(2)关于热量的传递：热力学第一定律说明热量可以从高温物体自动传到低温物体，而热力学第二定律却说明热量不能自动地从低温物体传向高温物体．
(3)关于能量：热力学第一定律说明在任何过程中能量必守恒，热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现，能量转化或转移有方向性．
(4)两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系；而第二定律指出了满足能量转化与守恒的过程不一定都能进行，指出过程进行具有方向性．其实质是一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响．所以二者相互独立，又相互补充．
3．第二类永动机的特点
(1)定义：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响的热机．
(2)第二类永动机不可能制成
虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热源．很显然，如果第二类永动机能制成，那么就可以利用空气或海洋作为热源，从它们那里不断吸取热量而做功，这是最经济不过的，因为海洋的内能实际上是取之不尽的．
4．两类永动机的比较
分类
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(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去)
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，实现内能与机械能的转化)
不可能
的原因
违背了能量的转化与守恒定律
违背了热力学第二定律
【说明】 宏观能量的转化效率不可能等于100%，也是热力学第二定律的体现．
1．下列关于热力学第二定律的说法正确的是( )
A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C．机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能而不引其他影响
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
E．热运动的宏观过程会有一定的方向性
【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真的发生，故A错误，E正确；根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，所以气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确，D错误；根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，所以机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能，故C正确．
【答案】 BCE
2．根据热力学第二定律，下列说法中正确的是( )
A．电流的电能不可能全部转变成内能
B．在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能
C．在热机中，燃气的内能不可能全部转变为机械能
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
E．热量可以从低温物体传向高温物体，而不引起其他的影响
【解析】 电能可以全部转化为内能，如纯电阻电路，而燃气的内能不可能全部转化为电能和机械能，故A错误，B、C正确；根据热力学第二定律关于热传导的描述知，D正确，E错误．
【答案】 BCD
3．下列说法中正确的是( )
A．机械能全部转化为内能是不可能的
B．机械能可以全部转化为内能
C．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会消失，也不会创生，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式
D．根据热力学第二定律可知，热量可能从低温物体传到高温物体
E．从单一热源吸收的热量全部变为功是可能的
【解析】 机械能可以全部转化为内能，故A错误，B正确；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故C错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故D正确；从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收的热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故E正确．
【答案】 BDE
理解热力学第二定律的方法
(1)理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性．理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”．
(2)正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响．
描述无序程度的物理量
1．宏观方向性的微观本质
(1)扩散现象的微观本质：扩散现象中，由于气体分子的无规则运动打乱了系统原来的有序分布，这个系统的无序程度增加了．
(2)热传递的微观本质：发生热传递之前，两个温度不同的物体内的分子按分子平均动能的大小有序分布，一旦发生热传递，两个物体内分子的平均动能逐渐变成一个中间值，也就是说系统的无序程度增加了．
(3)不管是扩散现象还是热传递，都说明宏观过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．
2．熵
(1)概念：热力学系统处于任何一个状态都对应着一个熵，熵的大小表征着热力学系统内分子热运动杂乱无章的程度．
(2)热力学第二定律的又一种表述：任何一个孤立系统自发变化时，熵永远不会减少．
3．无处不在的熵
(1)任何宏观物质系统，它们都有熵，熵可以在过程中增加和传递．
(2)熵的概念已拓展到自然科学和社会科学的各个领域．
(3)熵增加原理与能量守恒定律一起控制着一切自然过程的发生和发展．
1．熵是系统内分子运动无序性的量度．(√)
2．在自然过程中熵总是增加的．(√)
3．熵值越大代表越有序．(×)
成语“覆水难收”指一盆水泼出后是不可能再回到盆中的，请结合熵的变化解释为什么水不会自发地聚到盆中．
【提示】 由于盆的形状确定，水在盆中时，空间位置和所占据的空间的体积一定，显得“有序”“整齐”和“集中”，系统的熵低．当把水泼出后，它的形状不再受盆的限制，各种可能的形状都有，占据的空间面积和所处的位置都有多种可能，显得“混乱”“分散”，较为“无序”，系统的熵高．水泼出的过程属于从有序向无序的转化过程，导致熵的增加，符合熵增加原理．反之，水聚到盆中的过程，属于从无序向有序的转化，即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理，因此水不能自发地聚到盆中．
1．熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样，系统越混乱无序程度越大，这个系统的熵就越大．
2．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程度更大的方向发展．
3．对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行．或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小，这就是熵增加原理．熵增加原理的适用对象是对于孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少．
4．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．
4．在下列叙述中，正确的是( )
A．熵是物体内分子运动无序程度的量度
B．对孤立系统而言，一个自发的过程中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：熵总是增加的
D．熵值越大，表明系统内分子运动越无序
E．一个非孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展
【解析】 熵是物体内分子运动无序程度的量度，系统内分子运动越无序，熵值越大，故A、D正确；对孤立系统而言，一个自发的过程中熵总是向增加的方向进行，故B错误；根据热力学第二定律，扩散、热传递等现象与温度有关，凡是与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，其实质表明熵总是增加的，故C正确；对于一个非孤立的系统在与外界有能量交换时，其熵也有可能变小，故E错误．
【答案】 ACD
5．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
E．在自然的可逆过程中，孤立系统的总熵不变
【解析】 一个孤立系统自发发生的实际过程，系统的熵要么增大，要么不变，但不会减少，A正确，B错误；对于可逆的自然过程，总熵不变，E对；再根据熵的物理意义，它量度系统的无序程度，熵越大，无序程度越大，故C正确，D错误．
【答案】 ACE
熵的五点注意
(1)熵的微观意义：熵是系统内分子热运动无序性的量度．
(2)熵是表示一个体系自由度的物理量．熵越大，表示在这个体系下的自由度越大，可能达到的状态越多．
(3)熵不是守恒的量，在孤立体系中经过一个不可逆过程，熵总是增加的．
(4)熵的本质：熵是体系微观混乱度的量度，混乱度越大，熵值也越大．
(5)一个孤立系统的自然可逆过程中，总熵不变．
