人教版高中物理选修3-3知识讲解，巩固练习（教学资料，补习资料）：专题10.4 热力学第二定律

第十章 热力学定律
第4节 热力学第二定律
知识
对热力学第二定律的理解
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义。
（1）“自发地”指明了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。
（2）“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。
2．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 。
特别提醒：热量不可能 从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。
3．两类永动机的比较
第一类永动机
第二类永动机
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器
从 吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
违背 ，不可能制成
不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成
4．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宏观过程的方向性，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。
5．热力学第二定律的其他描述：
（1）一切宏观自然过程的进行都具有 。
（2）气体向真空的自由膨胀是 。
（3）第二类永动机是不可能制成的。
特别说明　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）还要正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响。
方向性 自发地 能量守恒定律 单一热源 方向性 不可逆的
重点
1．热力学第一定律与热力学第二定律的比较
区别联系
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，否定了产生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
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（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
违背了能量守恒定律
违背了热力学第二定律
特别说明　在热力学中，第一和第二定律相辅相成，缺一不可。热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础，前者对自然过程没有任何限制，只指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，反映的是物体内能的变化与热量、做功的定量关系；后者则是解决哪些过程可以自发地发生，哪些过程必须借助于外界条件才能进行。
【例题】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．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律
参考答案：B
基础训练
1．下列说法正确的是
A．一定质量的物质，汽化时吸收的热量与液化时放出的热量一定相等
B．第二类永动机与第一类永动机一样违背了能量守恒定律
C．熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性减小的方向进行
D．浸润与不浸润是分子力作用的表现
2．热力学定律表明自然界中进行的热现象的宏观过程
A．有的只遵守热力学第一定律
B．有的只遵守热力学第二定律
C．有的既不遵守热力学第一定律，也不遵守热力学第二定律
D．所有的都遵守热力学第一、第二定律
3．下列说法正确的是
A．一定质量的物质，汽化时吸收的热量与液化时放出的热量一定相等
B．第二类永动机与第一类永动机一样违背了能量守恒定律
C．熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性减小的方向进行
D．浸润与不浸润是分子力作用的表现
4．下列关于热机的说法中，正确的是
A．热机是把内能转化成机械能的装置
B．热机是把机械能转化为内能的装置
C．只要对内燃机不断进行革新，它可以把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能
D．即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不可能把内能全部转化为机械能
5．关于热力学第二定律，下列说法正确的是
A．热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律
B．热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律
C．热力学第二定律是物理学家从理论推导得出来的结果
D．由于热力学第二定律没有理论和实验的依据，因此没有实际意义
6．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．冰可以熔化成水，水也可以结成冰，这个现象违背了热力学第二定律
7．下列过程中，可能发生的是
A．某工作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跑进去，恢复原状
C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高
D．将两瓶不同液体自发混合，然后又自发地各自分开
8．如图中气缸内盛有定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接，使其缓慢地向右移动，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．ABC三种说法都不对
9．下列有关热现象的叙述中，不正确的是
A．机械能转化为内能的实际宏观过程是不可逆过程
B．气体可以从单一热源吸收热量，全部用来对外做功
C．第二类永动机没有违反能量守恒定律，但违反了热力学第—定律
D．热量可以从低温物体传到高温物体，但是不可能不引起其他变化
能力提升
10．下列说法正确的是
A．第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律
B．在绝热条件下压缩理想气体，气体的内能一定增加
C．只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，就可以估算出气体分子的直径
D．一定质量的理想气体，压强不变、温度升高时，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少
11．关于热力学定律和分子动理论，下列说法中正确的是
A．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
B．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
C．在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小
D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大
12．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做第二类永动机
B．第二类永动机违反了能量守恒定律，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
13．下列说法中正确的是
A．温度低的物体内能小
B．自然界中自发进行的与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性
C．物体吸收热量，其温度一定升高
D．悬浮在液体中的颗粒越大，周围液体分子撞击的机会越多，布朗运动越明显
14．如图所示为电冰箱的工作原理示意图，压缩机工作时，使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
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，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。这个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？
真题练习
16．（新课标全国Ⅰ卷）关于热力学定律，下列说法正确的是
A．气体吸热后温度一定升高
B．对气体做功可以改变其内能
C．理想气体等压膨胀过程一定放热
D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡
参考答案
1．AD【解析】汽化与液体为互逆的过程，故一定质量的物质，在一定的温度和压强下，汽化时吸收的热量与液化时放出的热量相等，故A正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，违背了热力学第二定律，B错误；根据热力学第二定律，一切自然过程总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行，故C错误；浸润与不浸润是分子力引力和斥力作用的表现，故D正确。
【名师点睛】热力学第二定律表现自然界的一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性；有序即有顺序地排列，“怎么分布都可以”即无序；绝对零度只能接近，不能达到。
2．D【解析】热力学第一、第二定律是热力学的基本定律对所有涉及热现象的宏观过程都成立。故选项D正确，ABC错误。
3．AD【解析】汽化与液体为互逆的过程，故一定质量的物质，在一定的温度和压强下，汽化时吸收的热量与液化时放出的热量相等，故A正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，违背了热力学第二定律，B错误；根据热力学第二定律，一切自然过程总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行，故C错误；浸润与不浸润是分子力引力和斥力作用的表现，故D正确。
【名师点睛】热力学第二定律表现自然界的一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性；有序即有顺序地排列，“怎么分布都可以”即无序；绝对零度只能接近，不能达到。
4．AD【解析】由热机的定义可知A正确，B错误。内燃机工作时内能的损失有多种途径，所以内燃机不可能把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能，故D选项正确，C选项错误。
7．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给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些物理过程是可以实现的，故C项对；内能自发地全部转化为机械能是不可能的，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。
8．C【解析】热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是：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。本题中如果没有外界的帮助，比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，导致气体温度略微降低，是不可能从外界吸收热量的，即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律。故选C。
9．C【解析】根据热力学第二定律知，机械能转化为内能的实际宏观过程是不可逆过程，故A正确；在外界的影响下，气体可以从单一热源吸收热量，全部用来对外做功，故B正确；第二类永动机没有违反能
量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故C错误；根据热力学第二定律知，热量可以从低温物体传到高温物体，但是不可能不引起其他变化，故D正确。故选C。
【名师点睛】本题根据熵增原理、热力学第二定律进行解答。热力学第二定律有不同的表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。
12．AD【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做第二类永动机，A正确；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，所以不可能制成，B错误；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，C错误，D正确。
13．B【解析】温度低的物体分子平均动能小，而物体内能不一定小，选项A错误。自然界中自发进行的与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性，选项B正确。物体吸收热量，其温度可能不变，选项C错误。悬浮在液体中的颗粒越大，受到周围液体分子撞击的机会越多，越可能处于平衡，布朗运动越不明显，选项D错误。
14．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，是能的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，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确。
15．不违反，热水温度降低，冷水温度升高。一部分内能转化为电能。
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
16．BDE【解析】气体吸热后，若再对外做功，温度可能降低，A错误；改变气体内能的方式有两种：做功和热传导，B正确；理想气体等压膨胀过程温度升高，内能增大，气体对外界做功，要从外界吸热，C错误；根据热力学第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，D正确；如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，E正确