第四节 热力学第二定律
学 习 目 标
重 点 难 点
1．通过自然界中热传导方向性的实例，了解热力学第二定律，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功的原因．
2．能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题．
3．尝试运用热力学第二定律解决一些实际问题.
1．热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质．(重点)
2．第二类永动机及其不能制成的原因．(重点)
3．对熵概念的理解．(难点)
一、自然过程的方向性
1．基本知识
(1)热传导的方向性
①两个温度不同的物体互相接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，最后两个物体温度相同达到热平衡．
②热传导过程是有方向性的．即热量从高温物体向低温物体的热传导过程是能自发进行的．
(2)机械能和内能转化过程的方向性
①机械能全部转化为内能的过程是可以自发进行的．
②内能全部转化为机械能，是不能自发进行的．
③第二类永动机
(ⅰ)定义：从单一热源吸热全部用来做功，而不引起其他变化的热机．
(ⅱ)不可能制成原因：违背了热力学第二定律．
2．思考判断
(1)在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体． (√)
(2)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别的物体，或者从一种形式转化成为另一种形式． (×)
(3)热量不可能从低温物体传到高温物体． (×)
3．探究交流
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．
【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．电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体，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．
二、热力学第二定律及微观解释
1．基本知识
(1)热力学第二定律的表述
①克劳修斯的表述
热量不能自动地从低温物体传递到高温物体．或者说，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．
②开尔文的表述
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．
(2)热力学第二定律的微观实质
①做功是与分子群体的有序运动联系在一起的，内能是和分子的无序运动联系在一起的，机械能转化为内能的过程，从微观上来说，是大量分子的有序运动朝无序运动的方向转换的过程，其相反方向的过程是大量分子从无序运动朝有序运动方向转换的过程．
②热传导过程是使物体内部分子的热运动由比较有序的状态向无序的状态转化的过程．
③与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的．
2．思考判断
(1)我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化． (×)
(2)利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的． (√)
3．探究交流
随着科技的不断发展，假如能够使热机没有漏气、没有摩擦、也没有机体热量损失，是不是能够使热机效率达到100%.
【提示】 不能，原因是热机的工作物质吸收的热量不能全部用来做功，如汽车尾气会带走一部分热量．
三、熵
基本知识
(1)意义：描述物体的无序程度，物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就越大．
(2)分子自由膨胀过程是一个向大量分子运动的无序性增加的方向进行的过程，气体的熵是增加的，这个过程可以自发进行．
对热力学第二定律实质的理解
【问题导思】
1．热力学第二定律的各种表述的内容是什么？
2．热力学第二定律的不同表述有什么共同的物理意义？
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”是指唯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．其物理实质揭示了热变功过程是不可逆的．
3．两种表述是等价的
甲 乙
如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立．
4．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．
1．在可以引起其他影响的情况下，热量可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等．
2．分析热力学第二定律的应用问题时都不能忽视“自发性”和“不引起其他变化”的物理意义．
随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，近期油价不断攀升，已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一，下列有关能量转化的说法中正确的是( )
A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他的变化
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．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
D．外界对物体做功，物体的内能必然增加
【审题指导】 (1)与热现象有关的宏观现象具有方向性．
(2)热力学第二定律的两种表述的理解．
【解析】 由热力学第二定律的开尔文表述可知A对．热机效率总低于100%，B错．满足能量守恒的过程未必能自发进行，任何过程一定满足热力学第二定律，C错．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大于0，即内能不一定增加，D错．
【答案】 A
1．(双选)下列关于热力学第二定律说法正确的是( )
A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B．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
C．气体向真空的自由膨胀是可逆的
D．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，D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C错误；根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热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B正确．故选BD.
【答案】 BD
热力学第一、第二定律的比较及两类永动机的比较
【问题导思】
1．热力学第一定律和第二定律有什么区别和联系？
2．对比两类永动机不能制成的原因各是什么？
1．热力学第一定律与热力学第二定律比较
热力学第一定律
热力学第二定律
区别
热力学第一定律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
热力学第二定律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、化学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
两定律都是热力学基本定律，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
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
违背了能量转化与守恒定律
违背了热力学第二定律
关于两类永动机和热力学两个规律，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，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
D．由热力学第二定律可知热从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的
【解析】 第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机违背热力学第二定律，A、B错；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但不引起其他变化是不可能的，D对．
【答案】 D
热力学第一定律和热力学第二定律的应用技巧
1．应用热力学第一定律，一定要考虑改变物体内能的两种方式，只有做功和热传递两方面都确定，才能确定物体内能的变化．
2．热力学第二定律的理解，关键是对热现象宏观过程的方向性的理解，要抓住“自发”和“不引起其他变化”等所表述的物理意义．
2．(双选)关于第二类永动机，下列说法中正确的是( )
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，而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机
B．第二类永动机违背了能量守恒定律，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，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
【解析】 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叫作第二类永动机．故A正确；第二类永动机违背了热力学第二定律．故B错误；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，同时不引起其他变化．故D正确，C错误．故选A、D.
【答案】 AD
熵——无序程度的量度
【问题导思】
1．什么是熵？它是由什么决定的？
2．从熵的概念分析，热力学第二定律的实质是什么？
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．
下面关于熵的说法中错误的是( )
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的
C．热力学第二定律也叫作熵减小原理
D．熵值越大代表着越无序
【解析】 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，这就是热力学第二定律的微观意义．系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程．自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此，热力学第二定律又称为熵增加原理，因此，A、B、D正确，C错误．
【答案】 C
3．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．
【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】 熵是增加的
对热力学第二定律的两种表述是等价的证明
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．根据你的理解，热力学第二定律的实质是________．
甲 乙
【解析】 观察甲图说明制冷机是通过外力做功把热量从低温物体传递到高温物体的．图乙如图所示．
【答案】 一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性
1．明确热力学第二定律的两种表述是等效的．其实质是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．
2．特别注意“不引起其他变化”和“引起其他变化”．热量从低温物体可以传到高温物体，但要“引起其他变化”．
1．(双选)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．热量不可能从低温物体传给高温物体
【解析】 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．
【答案】 AC
2．下列说法正确的是( )
A．热力学第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性
B．电流流过导体转化为内能，反过来，可将内能收集起来，再转化成相同大小的电流
C．可以做成一种热机，由热源吸取一定的热量而对外做功
D．冰可以融化成水，水也可以结成冰，这个现象违背了热力学第二定律
【解析】 热力学第二定律说明了一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的，但并没有否认以特殊方式利用能量的可能性，故A错；功和内能的转化具有方向性，其逆过程是不可能自发实现的，故B错；冰融化成水，水结成冰，伴随着能量的转移，不是自发进行的，没有违背热力学第二定律．
【答案】 C
3．第二类永动机不可能制成，是因为( )
A．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．机械能不能全部转化为内能
D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
【解析】 第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但却违背了涉及热现象的能量转化过程是有方向性的规律，A错；在引起其他变化的情况下，热量也可由低温物体非自发地传递到高温物体，B错；机械能可以全部转化为内能，如物体克服摩擦力做功的过程，C错；但在不引起其他变化的情况下，内能却不能全部转化成机械能，D对．
【答案】 D
4．(双选)关于气体向真空中扩散的规律的叙述中正确的是( )
A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越小
B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C．扩散到真空中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大
D．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
【解析】 气体分子向真空中扩散时，分子数越少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越大；分子数越多，分子全部分布于原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A、B错误．扩散到真空中的分子在整个容器中均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观态最多，并且这一宏观态的无序性最强，C、D正确．
【答案】 CD
课件52张PPT。第三章 热力学基础第四节 热力学第二定律
自发热平衡方向性自发
自发自发单一热源做功热力学第二定律√ × × 自动地不可能单一热源做功
有序无序有序无序无序有序
有序无序无序性× √
越大增加自发对热力学第二定律实质的理解 热力学第一、第二定律的比较及两类永动机的比较熵——无序程度的量度 对热力学第二定律的两种表述是等价的证明点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十五)
(建议用时：45分钟)
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．只是部分具有方向性
C．没有方向性 D．无法确定
【解析】 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
【答案】 A
2．空调制冷，把热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外，在此过程中( )
A．既遵守热力学第二定律，又遵守能量守恒定律
B．遵守热力学第二定律，而不遵守能量守恒定律
C．遵守能量守恒定律，而不遵守热力学第二定律
D．既不遵守热力学第二定律，又不遵守能量守恒定律
【解析】 空调制冷时，把热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外，要消耗电能即引起了其他变化，所以整个过程既遵守热力学第二定律，又遵守能量守恒定律．故正确答案为A.
【答案】 A
3．(双选)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．保持气体的质量和体积不变，当温度升高时，每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多
D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能的转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的
【解析】 第二类永动机违反了热力学第二定律，但不违反能量守恒定律，所以A错误；做功和热传递都可以改变物体的内能，物体从外界吸收了热量，同时也对外做了功，则物体的内能有可能减少，所以B错误；保持气体的质量和体积不变，根据理想气体的状态方程＝k可知，当温度升高时，气体的压强增大，故每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多，所以C正确；做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能的转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的，D正确．
【答案】 CD
4．地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018 吨，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是( )
A．内能不能转化成机械能
B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律
D．上述三种原因都不正确
【解析】 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，故只有C项叙述正确．
【答案】 C
5．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，而没有产生其他任何影响
B．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发溢进去，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．将两瓶不同液体自发混合，然后它们又自发地各自分开
【解析】 根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他变化，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，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项错．
【答案】 C
6．(双选)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】 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．
【答案】 CD
7．(双选)图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一定律
【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，是能量转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；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，要想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．
【答案】 BC
8．17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”，其结构如图所示，在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上、下端各有一个小孔P、Q，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P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，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P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
【解析】 违背了能量守恒定律，不可行．故只有D正确．
【答案】 D
9．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，知D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项不正确．
【答案】 D
10．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．气体从单一热源吸热，并全部用来对外做功，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，所以该过程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．以上三种说法都不对
【解析】 根据热力学第一定律，气体等温膨胀时，对外做功，因此从外界环境中吸收热量．这好像是违反了热力学第二定律，但是该过程中活塞杆的缓慢向右移动不是自发进行的，而是要通过力的作用，先使活塞向右移动，然后才能发生吸热的过程，也就是说发生了其他变化．
【答案】 C
11．热量会自发地从__________传给__________，但不会自发地从__________传给__________．这说明：热传导的过程是具有________的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向不能________地进行，要实现相反方向的过程，必须有__________，因而产生________或引起________．
【答案】 高温物体 低温物体 低温物体 高温物体 方向性 自发 外力帮助 影响 其他变化(或能量的消耗)
12．有一台热机，从热源甲每小时吸收热量为7.2×107 J，向热源乙放出3.6×107 J的热量，热机传动部分产生的热量为从甲热源吸收热量的10%，求：热机的输出功率和效率？
【解析】 根据热机的工作原理：吸热Q1＝7.2×107 J，
放热Q2＝3.6×107 J.
传动系统产生的热Q3＝7.2×106 J.
输出的能量为
W＝Q1－Q2－Q3＝7.2×107 J－3.6×107 J－7.2×106 J＝2.88×107 J.
输出的功率为P＝＝ W＝8.0×103 W.
效率为η＝＝40%.
【答案】 8.0×103 W 40%
