第4节 熵——无序程度的量度
1.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.只有部分具有方向性
C.没有方向性
D.无法确定
解析:自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性,例如,热传导、气体自由膨胀等。
答案:A
2.以下说法正确的是( )
A.热传导过程是有方向性的,因此两个温度不同的物体接触时,热量一定是从高温物体传给低温物体的
B.两个不同的物体接触时热量会自发地从内能多的物体传向内能少的物体
C.电冰箱制冷是因为电冰箱自发将内部热量传给外界
D.热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助
解析:热量可以自发地由高温物体传递给低温物体,热量从低温物体传递给高温物体要引起其他变化,A、D选项正确。
答案:AD
3.下列说法正确的是( )
A.热量有可能由低温物体传给高温物体
B.气体的扩散过程具有方向性
C.只要尽量完善工艺水平,热机效率可以达到100%
D.热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程都具有方向性
解析:热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但借助外界作用热量由低温物体传到高温物体是可以实现的。无论如何提高工艺水平,效率都不可能达到100%。热力学第二定律说明了与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
答案:ABD
4.下列叙述中正确的是( )
A.对一定质量的气体加热,其内能可能减小
B.在任何系统中,一切过程都朝着熵增加的方向进行
C.物体的温度升高,分子热运动变得剧烈,每个分子动能都增大
D.根据热力学第二定律可知,热量能够从高温物体传到低温物体,但不可能从低温物体传到高温物体
解析:对一定质量的气体,内能的变化既与热传递有关又与做功有关,对气体加热,气体的内能可能减小,A正确。系统总是自发地朝着熵增加的方向进行,B错误。温度升高,分子的平均动能增大,但每个分子的动能不一定都增大,C错误。热量在一定条件下可以从低温物体传到高温物体,D项错误。
答案:A
5.在下列四个过程中,可能发生的是( )
A.某物体从高温热源吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有产生任何其他影响
B.打开一高压密闭容器,容器内的气体自发流出后又自发流回该容器里去,恢复原状
C.以引起其他变化为代价,使低温物体的温度更低,高温物体的温度更高
D.两瓶不同液体自发的互溶过程是朝着熵减小的方向进行的
解析:A错,违反了热力学第二定律。由于自然过程的方向性,可知B是错误的,C正确。液体自发的互溶过程是不可逆过程,必然是朝着熵增加的方向进行的,故D错。
答案:C
6.如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q内为真空,整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则( )
A.气体体积膨胀,内能增加
B.气体分子势能减少,内能增加
C.气体分子势能增加,压强可能不变
D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中
解析:据热力学第二定律,自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性,可知D项正确。容器内气体自由膨胀,气体与外界之间不做功,也没有热交换,故气体的内能不变,A、B项不正确。气体分子间作用力很弱,气体体积变化时,气体分子势能可认为不变,C项不正确。
答案:D
7.
如图中汽缸内盛有定量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气。现将活塞杆与外界连接并使之缓慢地向右移动,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,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,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.A、B、C三种说法都不对
解析:气体吸热,并全部用以做功,但一定引起了其他的变化,并不违背热力学第二定律。
答案:C
8.(1)在物理学中,反映自然过程方向性的定律是 。?
(2)热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转变的方向性,机械能可以转变为内能,而内能 转变为机械能而不引起其他变化。?
(3)引入熵的概念后,人们也把热力学第二定律叫做熵增加原理,具体表述为: 。?
解析:(1)反映自然过程方向性的定律是热力学第二定律。(2)内能不能100%地转变成机械能而不引起其他变化。(3)在孤立系统中,一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行。
答案:(1)热力学第二定律 (2)不可能完全 (3)见解析
9.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。
根据示意图你对热力学第二定律的实质的理解是什么?
解析:第二种表述的意思是:热机吸收热量,对外做功,同时把热量传给低温物体。其表述示意图如图所示。其实质是:一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
答案:一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
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1．下列关于熵的有关说法正确的是( )
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中熵总是增加的
C．热力学第二定律也叫做熵减小原理
D．熵值越大表示系统越无序
E．熵值越小表示系统越无序
【解析】 根据熵的定义知A正确；从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展，B正确；热力学第二定律也叫熵增加原理，C错；熵越大，系统越混乱，无序程度越大，D正确，E错误．
【答案】 ABD
2．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．热传导是有方向性的
D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
E．气体向真空中膨胀的过程是可逆的
【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对，B错；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，具有方向性，选项D对，E错．
【答案】 ACD
3．以下说法正确的是( )
A．热传导过程是有方向性的，因此两个温度不同的物体接触时，热量一定是从高温物体传给低温物体的
B．热传导过程是不可逆的
C．两个不同的物体接触时热量会自发地从内能多的物体传向内能少的物体
D．电冰箱制冷是因为电冰箱自发地将内部热量传给外界
E．热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助
【解析】 热量可以自发地由高温物体传递给低温物体，热量从低温物体传递给高温物体要引起其他变化，A、B、E选项正确．
【答案】 ABE
4．下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是( )
A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律
B．能量耗散过程中能量是守恒的
C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律
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
E．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
【解析】 第一类永动机是指不消耗能量却可以不断对外做功的机器，违背了能量守恒定律，A正确；电冰箱在电机做功的情况下，不断把冰箱内的热量传到外界，没有违背热力学第二定律，C错误；物体从单一热源吸收的热量不可全部用于做功，因为机械能和内能的转化过程具有方向性，尽管机械能可以全部转化成内能，但内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化，E错误．
【答案】 ABD
5．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．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可以实现的
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
E．有的物理过程可以自发地进行
【解析】 由热力学第二定律的物理意义知，A、C、E正确，D错误；不违背能量守恒定律的物理过程，如果违背热力学第二定律，也是无法实现的，故B错误．
【答案】 ACE
6．下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是( )
A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开
B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开
C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%
E．杯子摔碎而不能复原
【解析】 热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，A、E不属于热现象，故A、E错；由热力学第二定律可知B、C、D正确．
【答案】 BCD
7．(2016·万州区高二检测)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5-3-2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5-3-2
【解析】 温差发电现象中产生了电能是因为热水的内能减少，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．将热水的部分内能转化为电能，另一部分释放到低温热源冷水中．
8．炎炎夏日，两位同学在充满凉意的空调室内，就空调机的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发生了争论．一位同学说：空调机工作时，不断地把热量从室内传到室外，即从低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二定律．另一位同学说：热力学第二定律是热力学系统的普遍规律，空调机的工作过程不可能违反它．两人各执一词，都无法使对方信服．请你对他们的论点作出评论．
【答案】 压缩机是空调机的“心脏”，它消耗电能对来自蒸发器的制冷剂蒸汽做功，使它变成高温高压的蒸汽．然后这些高温高压的蒸汽来到冷凝器，向低温的环境放热，同时自身被冷却而凝成低温高压的液体．
这些低温高压的液体制冷剂由过滤器滤掉水分和杂质，进入毛细管，经节流阀膨胀，变为低温低压的液体，随后进入空调机的蒸发器．在蒸发器内，这些低温低压的液态制冷剂在低压条件下迅速汽化，从外界(空调机内)吸收热量，使空调机的温度降低．这样就完成了一个制冷循环．由此可见乙同学的论点正确．
[能力提升]
9．下列说法正确的是( )
A．机械能全部变成内能是不可能的
B．从热库吸收的热量全部变成功是可能的
C．热机是一种把内能转化为机械能的装置
D．没有任何漏气和摩擦时，热机的效率η＝×100%＝100%
E．第二类永动机不可能制成可以作为热力学第二定律的一种表述
【解析】 机械能可以全部转化成内能，A错误；从热库吸收的热量全部变成功也是可能的，只是会引起其他变化，B正确；热机是一种把内能转化为机械能的装置，C正确；热机工作过程中，必定要放出部分热量，热机用于做机械功的热量一定小于它从高温热库那里吸收的热量．即使没有任何漏气和摩擦时，热机的效率也不可能达到100%，D错误；任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述，故E正确．
【答案】 BCE
10．下列说法中正确的是( )
A．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传递到高温物体
B．能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性
C．当分子间的距离增大时，分子间的引力增大、斥力减小
D．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时，两系统温度相同
E．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，内能却不能全部转化为机械能同时又不引起其他变化
【解析】 热量不能自发地从低温物体传到高温物体，选项A错误；耗散掉的能量不能再重新收集起来加以利用，说明能量的转化具有方向性，选项B正确；当分子间的距离增大时，分子间的引力和斥力均要减小，选项C错误；温度是描述热运动的物理量，是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量，所以当一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同，选项D正确；由热力学第二定律可知，选项E正确．
【答案】 BDE
11．如图5-3-3甲、乙、丙所示，质量、温度相同的水，分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？
甲 乙 丙
图5-3-3
【解析】 S气>S液>S固．根据大量分子热运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又有一种表述：由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少．也就是说，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少．质量、温度相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，由液态向气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小．
【答案】 S气>S液>S固 原因见解析
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：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．
图5-3-4(a)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5-3-4(b)．
图5-3-4
根据图5-3-4你的理解，热力学第二定律的实质是什么？
【解析】 第二种表述的意思是：热机吸收热量，对外做功，同时把热量传给低温物体．其表述示意图如图所示．其实质是：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性．
【答案】 图见解析 一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性
