第三节 热力学第二定律
选择题（本题包括14小题，每小题给出的四个选项中，有的只有一个选项正确，有的有多个选项正确，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错或不选的得0分，共84分）
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
2.根据热力学第二定律，下列判断正确的是( )
A.热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B.电能不可能全部变成内能
C.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能
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
3.某一涉及热现象的宏观过程( )
A.符合能量守恒定律，则该过程一定能发生
B.符合能量守恒定律，但该过程可能不发生
C.违反能量守恒定律，但该过程可能发生
D.违反能量守恒定律，则该过程一定不能发生
4.下列关于热力学第二定律的说法中正确的是( )
A.热量不能自发地从低温物体传到高温物体
B.不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响
C.气体向真空的自发膨胀是不可逆的
D.不违背能量守恒的宏观过程都能发生
5.(天津理综)下列说法中正确的是( )
A.任何物体的内能就是组成物体的所有分子热运动动能的总和
B.只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C.做功和热传递在改变内能的方式上是不同的
D.满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行
图1
6.(北京理综)如图1所示，两个相通的容器、间装有阀门中充满气体，内为真空，整个系统与外界没有热交换.打开阀门后，中的气体进入中，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.中气体不可能自发地全部退回到中
图2
7.17世纪70年代，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，其结构如图2所示，在斜面顶端放一块强磁铁，斜面上、下端各有一个小孔、，斜面下有一个连接两小孔的弯曲轨道.维尔金斯认为:如果在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到，由于这时球具有速度可以对外做功.然后又被磁铁吸引回到上端，到处又漏下……对于这个设计，下列判断中正确的是( )
A.满足能量转化和守恒定律，所以可行
B.不满足热力学第二定律，所以不可行
C.不满足机械能守恒定律，所以不可行
D.不满足能量守恒定律，所以不可行
8.(广东高考)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
9.下列说法中正确的是( )
A.第一类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律
B.第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律
C.热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的
D.热力学第二定律的两种表述是等价的
10.下列关于第二类永动机的说法中正确的是( )
A.第二类永动机违背了能量守恒定律
B.第二类永动机的效率是100%
C.第二类永动机是指能够把吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化的热机
D.第二类永动机违背了热力学第二定律
11.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，并最终达到绝对零度
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.用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×，同时空气向外界放出热量1.5×，则空气的内能增加了0.5×
12.下列过程中，可能发生的是( )
A.某工作物质从高温热库吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有其他任何影响
B.打开一高压密闭容器，其内气体自发喷出后又自发进去，恢复原状
C.利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体温度更高
D.将两瓶相溶的不同液体混合，然后又自发地各自分开
图3
13.(广东高考)图3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一定律
14.下列说法正确的是( )
A.机械能全部变成内能是不可能的
B.第二类永动机不可能制造成功是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式
C.根据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
D.从单一热库吸收的热量全部变成功而不产生其他影响是不可能的
二、计算题（本题共16分.解答时应写出必要的
文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分.有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位）
15.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
第三节 热力学第二定律 参考答案
选择题
1.A 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.
2.ACD 解析:凡是与热现象有关的宏观现象都具有方向性.采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”，故A正确.火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确.热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主要思想，故D正确.由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的能可以全部转化为内能.故B错误.
3.BD 解析:违反能量守恒定律和热力学第二定律的任何过程都不可能发生.
4.ABC
5.C 解析:物体的内能是物体内所有分子动能和分子势能的总和，所以A选项错误.将内能全部转化为机械能而不引起其他变化是不可能的，B选项错误.热力学第二定律说明了与热现象有关的宏观自然过程是有方向性的，D选项错误.做功和热传递是改变内能的两种方式，C选项正确.
6.D 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，B、C项也不正确.
7.D 解析:该设计违背了能量守恒定律，故不可行.
8.D 解析: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 Δ知内能的变化由做功和热传递两个方面共同决定，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项错误.做功和热传递都可改变物体内能.但做功是不同形式能间的转化，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.
9.ACD 解析:第一类永动机是想“创生”能量，违反了能量守恒定律，第二类永动机是想使热机效率=1，违反了热力学第二定律(没有违反能量守恒定律)，A正确，B错误；热力学第一定律是能量守恒定律在内能与其他形式能转换时的具体表达，热力学第二定律指出了自然界中与热现象有关的宏观过程都具有方向性.它们分别从不同侧面揭示了热现象的本质，是相互独立的，热力学第二定律的两种表述是等价的，C、D正确.
10.BCD 解析:第二类永动机不违反热力学第一定律及能量守恒定律，但违反热力学第二定律，其思想是不付代价地从单一热库吸热，使之全部用来做功而不产生其他影响，即热机的效率等于1，这是不可能实现的，选B、C、D.
11.D 解析:由热力学第二定律知B、C错，绝对零度不可达到，A错.由热力学第一定律知D正确.
12.C 解析: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，但通过一些物理手段是可以实现的，故C项正确；内能转化为机械能不可能自发地进行，要使内能全部转化为机械能必定要引起其他影响，故A项错；气体膨胀具有方向性，故B项错；扩散现象也有方向性，D项也错.
方法点拨:热力学第二定律用于判断与热现象有关的宏观过程是否能够进行.例如:在热传导方面，热量不能自发地从低温物体传到高温物体；在扩散方面，气体向真空的膨胀是不可逆的；在能量转化方面，热机的效率达不到100%，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.
13.BC 解析:热力学第一定律适用于所有的热学过程，C正确，D错误.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，A错误，B正确.
14.D 解析:由热力学第二定律可知选项C错误，可以从单一热库吸收热量全部变成功但必定会引起其他影响.选项D正确.机械能可通过克服摩擦全部转化为内能，选项A错误.第二类永动机没有违背能量守恒定律，而是违反了热力学第二定律，因而不能制成，选项B错误.
警示:本题易误选C项.热量不能自发地从低温物体传到高温物体，关键词是“自发”，即热量可从低温物体传到高温物体，但要引起其他变化，例如电冰箱.
二、计算题
15.不违反 热水温度降低，冷水温度升高 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.
热力学第二定律 教案
要 点：了解热传导过程的方向性
理解第二类永动机不可能的原因
了解热力学第二定律的不同表达以及实质
教学难点：用热传导过程的方向性解释第二类永动机的不可能
考试要求：高考Ⅰ（热力学第二定律、永动机不可能、绝对零度不可达到），会考
课堂设计：从学生比较熟悉热传导过程的方向性入手，从平时很少关注的方向性方式入手研究，调动学生的思维并为热力学第二定律作准备。第二类永动机由于没有违背能量的转化和守恒定律更具有欺骗性，应立足热传导过程的方向性来帮助学生理解。能量的耗散应从能量（守恒）的角度来考察，并保证对生活实例有指导性。
解决难点：先引导关注热传导过程的方向性，用来解决第二类永动机的失败原因，体会尽管没有违背能量守恒定律但还受到其他因素的制约。
学生现状：不知道遵守能量守恒定律的机器为什么还是不可能制成；
知道热传导的方向性但没有联系实际；
第二类永动机（并不违背能量守恒定律）的欺骗性认识不足。
培养能力：分析综合能力，理解推理能力
思想教育：唯物主义世界观，尊重事实
考试说明：新增“热力学第二定律、永动机不可能、绝对零度不可达到”
一、引入
有这样有趣的问题：地球上有大量的海水，它的质量约为1.4×1018t,只要这些海水的温度降低0.1OC,就能放出5.8×1023J的热量，这相当于1800万个功率为100万千万的核电站一年的电量，为什么不去研究这种新能源呢？学了本节课你就可以知道答案了。
二、热传导的方向性
问:生活经验肯定告诉过我们，两个温度不同的物体互相接触后，会发生什么现象？
分析：热量会自发的从高温物体传给低温物体，结果使温度低的物体温度升高，温度高的物体温度降低。
问：有没有见过，温度自发的从低温物体传给高温物体？
分析：学生可能说“有”，比如说空调、冰箱。
解释什么是“自发地”？
“自发地”：是没有任何外界的影响或帮助。空调、冰箱需借助外界条件电源，才能够使热量从低温物体传到高温物体，它们是“不自发地”而是“被迫地”
——一旦停电，就又是自发地由高温传向低温
类似：水（自发地）往低处流，也可以在有帮助的条件下（被迫地）向高处流。
总结：热传导的过程是有方向行，这个过程可以自发的从一个方向自发地进行；但是向相反的方向却不能自发地进行，必须借助外界的帮助。自然界中所涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
三、第二类永动机
大家都已经知道，机械能和内能之间可以发生相互转化，比如说一个在水平面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后总要停下来。在这个过程中物体的动能转化为内能，使物体的温度升高。而把内能转化为机械能，在这转化中能量守恒。依据理论，内能同样可以转化机械能（动能），所以我们很愿意将汽车的温度降低来获得汽车的动能（在夏天那可是一举两得的事）。而不引起其他的变化。我们没有见过这类情况，并不是人们没想到，而是有困难。回答这个问题之前我们先介绍热机。
热机，是将热（内）能转化为机械能的装置。如内燃机、蒸汽机、燃气轮机（热电厂）、燃气涡轮（喷气飞机）。
以内燃机为例：气体燃烧时产生的热量Q1,推动活塞做功W，然后放出热气，同时把热量Q2散发到大气中。根据能量守恒Q1=W+Q2,如果我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量
Q1的比值叫做热机的效率，用η表示效率，则有
问：我们也都知道W>Q1,也就是η不可能达到100％，那是为什么？
分析：热机构造必须有热源和冷凝器，工作时，总要向冷凝器散热，因此要损失热量。
能不能制造出没有冷凝器的热机，只有单一的热源，它从这个单一热源中吸收热量，可以全不用来做功，第二类永动机就是指这类遵守能量守恒定律，从单一热源不断获得能量的机器。
第二类永动机的失败，说明机械能和内能之间的转化有着方向性：机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能（肯定引起其他变化）。
所以我们在没有冷凝器的条件下，无法通过降低海水温度来获取我们所需要的能量
四、热力学第二定律
生活中很多物理过程的具有方向性。比如图11－2中气体的扩散，物理学家通过分析自然现象，又总结了第二类永动机不可制成的经验，得出了热力学第二定律。常见两种表述：
表述一：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。
表述二：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。
两种表述的实质是统一的：自然界中进行的涉及的热现象有关的宏观过程具有方向性，都是不可逆的。
五、能量耗散
问：既然有能量守恒定律，为什么还要节约能源呢？
分析：其实通过前面的学习，我们都可以找到答案了，因为能量的转化具有方向性，某些自发进行的能量转化后不能再以原值的大小重新转化回来，尽管总量是不变的但可利用的能在减少——能量的耗散（避免说成是损失）。
能量的耗散也从能量转化的角度表明其原因是：从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程是具有方向性的。
六、绝对零度不可达到(8’)
0K＝-273.15℃，T=t+273.15K
值不同但（温差）度的大小相同
阅表：可通过与摄氏度的换算来体会
温度高分子运动快，温度低分子运动慢；到0K（-273.15℃）时分子不再运动，依据辩证唯物主义观点，物质总是运动的，绝对零度只能接近不能到达——热力学第三定律
