第十章 4
基础达标
1．关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量
B．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化
C．不可能使热量从低温物体传向高温物体
D．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
【答案】A
解析：做功和热传递是改变物体内能的两种方法，故A正确；热力学第二定律可以表示为：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其他变化，故B错误；热量不能自发从低温物体传向高温物体，C错误；热力学第二定律的实质：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，但功和能是两个不同概念，功是不可能转化为能的，故D错误．
2．热力学第二定律说明了( )
A．高温物体与低温物体接触时，热量只能由高温物体传给低温物体
B．不管采用什么方法，热量都不可由低温物体传给高温物体
C．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性
D．能量不断地减少，不守恒
【答案】C
解析：热量可从低温物体传到高温物体，但要引起其他变化，如冰箱制冷，所以A、B错；热力学第二定律并不否定能量守恒，故D错．
3．(2019南京名校模拟)下列对能的转化和守恒定律的认识错误的是( )
A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加
B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加
C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了
【答案】D
解析：根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增大，故A正确．某个物体的总能量减少，根据能量守恒定律得知，必然有其他物体的能量增加，故B正确．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，故C正确．石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子及周围物体的内能，能量并没有消失，故D错误．本题选错误的，故选D．
4．(2019松江二模)关于能量转化与守恒的理解，下列说法中正确的是( )
A．凡是能量守恒的过程就一定会发生
B．摩擦生热的过程是不可逆过程
C．热传递的过程不存在方向性
D．由于能量的转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机
【答案】B
解析：各种物理过程能量是守恒的，但是自然界的宏观过程具有方向性，故A错误；摩擦生热的过程是不可逆的．例如钻木取火，不能用火得到木头，故B正确；热传递是有方向性的，热量一定从温度高的物体传向温度低的物体，或从温度高的部分传向温度低的部分，故C错误；由于能量转移或转化是有方向性的，虽然能量守恒，但还是会产生能源危机，故D错误．
5．关于热现象和热学规律，下列说法正确的是( )
A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%
B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的
C．第二类永动机遵守能量守恒定律故能制成
D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105
J，同时空气向外界放出热量1.5×105
J，则空气的内能增加了0.5×105
J
【答案】D
解析：绝对零度不可能达到，A错误；由热力学第二定律知，B、C错误；由热力学第一定律知，D正确．
6．(多选)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．一切不违反能量守恒与转化定律的物理过程都是可能实现的
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
【答案】AC
解析：能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A对；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错；在热传递的过程中，能量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C对，D错．
能力提升
7．(2019闵行一模)下列关于热学规律的说法中正确的是( )
A．温度低的物体内能小
B．物体吸收热量，其温度一定升高
C．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
D．悬浮在液体中的固体颗粒越大，周围液体分子撞击的机会越多，布朗运动越明显
【答案】C
解析：内能取决于温度、体积以及物质的量，温度低的物体内能不一定小，故A错误；物体吸收热量的同时如果对外做功，则内能可能减小，温度也可能减小，故B错误；根据热力学第二定律可知，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，故C正确；悬浮在液体中的固体颗粒越小，周围液体分子撞击越不平衡，布朗运动越明显，故D错误．
8．(多选)关于第二类永动机，下列说法正确的是( )
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，内能却不可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，内能却不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
【答案】AD
解析：根据第二类永动机的定义可知A选项正确，第二类永动机不违反能量守恒定律，而是违反热力学第二定律，所以B选项错误．机械能可以全部转化为内能，内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，C选项错误，D选项正确．所以，该题的正确答案是AD．
9．17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
【答案】D
解析：该装置违背了能量守恒定律，故不可行．
10．关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A．在一定条件下物体的温度可以降到0
K
B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
C．吸收了热量的物体，其内能一定增加
D．压缩气体总能使气体的温度升高
【答案】B
解析：热力学零度，即我们所说的－273.15
℃，这个温度只能无限接近而不能达到，A错误；由热力学第二定律知，物体不可能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，换句话说，在引起其他变化的情况下，物体可以从单一热源吸收热量全部用来做功，所以B正确；根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q知，改变物体内能的方式是做功和热传递，所以物体吸收了热量或对物体做功，其内能都不一定增加，故C、D错误．
11．(2019揭阳一模)下列说法正确的是________．
A．分子间距离增大时，分子间的引力和斥力都减小
B．布朗运动就是气体或液体分子的无规则运动
C．食盐晶体中的钠、氯离子按一定规律分布，具有空间上的周期性
D．做功和热传递在改变系统内能方面是不等价的
E．第二类永动机虽不违背能量守恒定律，但也是不可能制成的
【答案】ACE
解析：根据分子动理论的内容可知，分子间距离增大时，分子间的引力和斥力都减小，故A正确；布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动，是液体分子的无规则运动的反映，不是分子的运动，故B错误；食盐晶体中的钠、氯离子按一定规律分布，具有空间上的周期性，故C正确；做功和热传递在改变系统内能方面是等价的，故D错误；第二类永动机虽不违背能量守恒定律，但是违反了热力学第二定律，也是不可能制成的，故E正确．故选ACE．
12．(1)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
(2)在水下气泡内空气的压强大于气泡表面外侧水的压强，两压强差Δp与气泡半径r之间的关系为Δp＝，其中σ＝0.070
N/m.现让水下10
m处一半径为0.50
cm的气泡缓慢上升．已知大气压强p0＝1.0×105
Pa，水的密度ρ＝1.0×103
kg/m3，重力加速度大小g＝10
m/s2．
①求在水下10
m处气泡内外的压强差；
②忽略水温随水深的变化，在气泡上升到十分接近水面时，求气泡的半径与其原来半径之比的近似值．
【答案】(1)BDE (2)①28
Pa ②1.3
解析：(1)气体内能的改变ΔU＝Q＋W，故对气体做功可改变气体内能，B选项正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W的情况，故不能确定气体温度变化，A选项错误；理想气体等压膨胀，W<0，由理想气体状态方程pV＝nRT，p不变，V增大，气体温度升高，内能增大．由ΔU＝Q＋W，此过程中一定吸热，C选项错误；由热力学第二定律，D选项正确；根据平衡性质，E选项正确．
(2)①由公式Δp＝得，Δp＝
Pa＝28
Pa
水下10
m处气泡的压强差是28
Pa．
②忽略水温随水深的变化，所以在水深10
m处和在接近水面时气泡内温度相同．
由理想气体状态方程pV＝nRT，得
p1V1＝p2V2
①
其中，V1＝πr
②
V2＝πr
③
由于气泡内外的压强差远小于水压，气泡内压强可近似等于对应位置处的水压，所以有
p1＝p0＋ρgh1＝1×105
Pa＋1×103×10×10
Pa
＝2×105
Pa＝2p0
④
p2＝p0
⑤
将②③④⑤代入①得2p0×πr＝p0×πr
所以＝≈1.3．(共30张PPT)
4 热力学第二定律
在热传递中我们知道两个相互接触的物体，如果它们的温度不同，热量就会自发地从高温物体传到低温物体，而不是相反．有关热现象的方向问题是热学的重要内容，下面就让我们一起探讨这个问题．
一、热力学第二定律的一种表述
1．一切宏观热现象的自发过程都具有方向性．如热量从________物体自发传递到________物体的特征，而要实现其逆过程．则一定会产生________．
【答案】高温 低温 其他影响
2．热力学第二定律的克劳修斯表述是________不能自发地从________传到________．
【答案】热量 低温物体 高温物体
二、热力学第二定律的另一种表述
1．热机
(1)热机工作的两个阶段
第一个阶段是________，把燃料中的________变成工作物质的内能．
第二个阶段是工作物质对外________，把自己的内能变成________．
(2)热机的效率：热机输出的________与燃料产生的________的比值．用公式表示为________．
2．开尔文表述：不可能从________吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．(即机械能与内能转化具有方向性)
【答案】单一热库
1．热传导具有方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，而产生其他影响或引起其他变化．
热传导的方向性(自然过程的方向性)
2．气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体．
3．机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．
4．气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空．
5．自然过程的方向性：在整个自然界中，无论有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程．如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，房屋衰朽倒塌，人的一生从婴儿到老年到死亡等．
1．下列说法不正确的是( )
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．热传递是有方向性的
D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
【答案】B
【解析】如果是自发的过程，热量只能从高温物体传向低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传向高温物体，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；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，具有方向性的．
1．单一热库
指温度均匀并且恒定不变的系统．若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功．据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电．
热力学第二定律理解中的几个关键问题
2．其他影响
指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化．不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响．同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是指不产生其他影响的自动热传递是不可能的．
3．关于“不可能”
实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除．
4．适用条件
只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程．而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙．
2．(2019启东名校期中)对热力学第二定律，下列理解正确的是( )
A．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不产生其他影响
B．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性
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
【答案】B
解析：热力学第二定律可以表示为：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其他变化．这句话强调的是不可能“不产生其他变化”；即在引起其他变化时是可能的，故A错误．根据热力学第二定律可知，自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故B正确．热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，但在引起外界一定变化的情况下，热量可以由低温物体传到高温物体，故C错误．第二类永动机并不违背能量守恒定律，但其违背了热力学第二定律，因此不可能制成，故D错误．
1．热力学第二定律与热力学第一定律的比较
热力学第一、第二定律的比较及两类永动机的区别
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
违背了能的转化与守恒定律
违背了热力学第二定律
3．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反了热力学第一定律
B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
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
【答案】D
【解析】第一类永动机违反热力学第一定律，第二类永动机违反热力学第二定律，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，只是一定会引起其他变化，D正确．
例1 根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是( )
A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
B．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是可以实现的
对热力学第二定律的理解与辨析
C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化
D．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
解析：热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A选项正确，B选项错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故C选项错误，D选项正确．
答案：AD
反思领悟：(1)一切物理过程均遵守能量转化与守恒定律，但遵守能量守恒的物理过程不一定均能实现．
(2)热力学第二定律的关键在于“自发性”和“方向性”．
1．(2019南岔名校期中)关于热力学第二定律，下列表述正确的是( )
A．不可能使热量从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．第二类永动机是不可能制成的
D．热力学第二定律是热力学第一定律的推论
【答案】C
解析：不可能自发把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，但在引起其他方面的影响时，可以使热量从低温物体传到高温物体，故A错误．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，如果在产生其他影响的情况下，是可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功，故B错误．根据热力学第二定律可知，第二类永动机是不可能制成的，故C正确．热力学第一定律的本质是物体内能改变；而热力学第二定律与热运动的方向性有关，二者的本质不同，故D错误．
例2 第二类永动机不可能制成的原因是( )
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而不引起其他变化
解析：第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，所以不可能制成．
答案：D
有关第二类永动机的问题
反思领悟：凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性，机械能可全部转化成内能，而内能不能全部转化成机械能，而不引起其他变化．
2．我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度可以把内能自发地转化为机械能，使这个物体运动起来，其原因是( )
A．违反了能量守恒定律
B．在任何条件下热能都不可能转化成机械能，只有机械能才能转化成热能
C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的
D．以上说法均不正确
【答案】C
【解析】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不可逆性，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．
