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第4章 热力学定律与能量守恒
4．3 热力学第二定律
4．4 描述无序程度的物理量
第4章 热力学定律与能量守恒
不可逆
方向
自发
方向性
单一热源
完全
等价
进行方向
不可逆性
方向
有序
无序
无序
无序性增大
无序程度
不会减少
熵增加
保持不变
不会减少
预习导学新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
高温物体
制冷机
Q 2
低温物体
甲
高温物体
高温物体
l Q1
W
热机
热机
N Q2
l o 2
勿体
低温物
低温物
勿体」
A
B
高温物体
高温物体
T Q1
个Q1
W(热机)
热机)y
个Q2
个Q2
低温物体
勿
低温物
C
D
热力学第二定律 描述无序程度的物理量
1.知道热传递过程的方向性． 2.知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质．(重点＋难点)
3．知道什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成． 4.理解热力学第二定律的微观含义，了解熵的概念及用熵的概念表示的热力学第二定律．(难点)
, 一、自然过程的方向性
1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即宏观自然过程具有方向性．
2．德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，这就是热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是热传递的方向性．
二、理想热机的启示——开尔文表述
1．开尔文于1851年提出了热力学第二定律的另一种表述，即开尔文表述：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．
2．热力学第二定律的上述两种表述是等价的，可以从一种表述推导出另一种表述，对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．
3．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．
三、宏观方向性的微观本质
1．在生活中遇到的有关事件，只要确定了某种规则，符合这个规则的就是有序的，如果对个体没有确定的要求，我们就说这是无序的，如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的．
2．一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．
四、一个非常有用的概念——熵
1．在物理学上，为了描述一个系统的无序程度，引入了一个物理量，叫做熵．系统的熵高，表示无序程度大，显得“混乱”和“分散”；系统的熵低，表示无序程度小，显得“有序”“整齐”和“集中”．
2．引入熵之后，关于自然过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少．这就是用熵的概念表示的热力学第二定律．
五、无处不在的熵
1．任何宏观物质系统，他们都有熵．而且熵可以在过程中增加和传递．大量事实证明，每一个不可逆过程，都是导致熵增加的根源．
2．能量转化与守恒定律和熵增加原理是自然界中两条普遍的规律，堪称是宇宙的法规，它们一起控制着一切自然过程的发生和发展；任何过程中一切参与者的总能量必定保持不变，总熵必定不会减少．
对热力学第二定律的理解
1．两种表述
(1)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．这是按照热传导的方向性来表述的．
(2)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．也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的．这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的．
2．在热力学第二定律的表述中，正确理解“自发地”“不产生其他影响”的涵义是解题的关键．
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等．
(2)“不产生其他影响”的涵义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热库吸收热量全部用来做功，不须通过第三者的帮助．这里的帮助是指提供能量等方式．
3．两种表述等价性的证明
两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的．下面给出证明：
设表述(1)不成立，如图所示，低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2.那么，我们可在高温热源T1和低温热源T2之间设置一热机，使它从高温热源吸收热量Q1，对外做功W，并把热量Q2传递给低温热源．当这一过程完成之时，低温热源由于吸热和放热相等，没有引起其他变化．高温热源放出热量Q1大于吸收热量Q2，热机对外做功W＝Q1－Q2，相当于高温热源放出的热量全部用来对外做功，且没有引起其他变化，也就是说单一热源所放出的热量全部用来做功．这显然是违反表述(2)的，即凡违反表述(1)的说法，必然违反表述(2)．反之，也可以证明，凡违反表述(2)的，也必然违反表述(1)．
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．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的
[解析] 机械能可以全部转化为内能，故A错；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B错；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C错；从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D项对．
[答案] D
对热力学第二定律理解的两个误区
(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体，不能由低温物体传到高温物体．热量可以由高温物体传到低温物体，也可以由低温物体传到高温物体；但是，前者可以自发完成，而后者则必须有外界参与．
(2)误认为机械能可以完全转化为内能，而内能不能完全转化为机械能．
机械能可以完全转化为内能，内能也可以完全转化为机械能；但是，前者可以不产生其他影响，而后者一定会产生其他影响．
1.(多选)根据热力学第二定律，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
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：选AD.本题考查对热力学第二定律的综合理解．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，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，因而引起其他变化，故A选项正确，B选项错误．热传导过程也具有方向性，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.
第二类永动机不能制成的原因
1．热机的组成部分及原理
(1)热源：指燃烧燃料而获得能量的部件．
(2)工作物质：指利用获得的热量来做功的物质，如蒸汽机里的蒸汽、内燃机里燃烧后的高温气体．
(3)冷凝器：把做功后工作物质所剩余的热量进行再吸收的部分．如推动活塞做功后放出的蒸汽的温度也很高，如果把这种蒸汽直接放入大气中，则大气就是冷凝器．当然这样就白白浪费了剩余的蒸汽所具有的能量，通常把这种工作后剩余的蒸汽通过管道送入居民区用于烧水、做饭、取暖等．
(4)原理：热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2.
(5)效率：由能量守恒定律Q1＝W＋Q2，我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率，用η表示，即η＝.
2．热机效率分析
(1)因热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1>W.
(2)热机的效率不可能达到100%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的能量百分之百地转化成机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中．
3．第二类永动机违背热力学第二定律：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热源，故第二类永动机不可能制成．
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量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
[思路点拨] 掌握两类永动机的概念以及深刻理解热力学两大定律是解答本题的关键．
[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，但不引起其他变化是不可能的，D对．
[答案] D
2.(多选)下列说法正确的是( )
A．热传导的过程是有方向性的
B．第二类永动机不可能制成，因为它违反能量守恒定律
C．第二类永动机不可能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性
D．热力学第二定律表明，所有的物理过程都具有方向性
解析：选AC.根据热力学第二定律和实验事实都可以说明，热传导的过程是有方向性的，热量可以从高温物体自发地传给低温物体，却不能自发地由低温物体传给高温物体，所以选项A正确．第二类永动机是一种热机，它希望能够从单一热源吸热全部用来做功而不引起其他任何的变化，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，所以选项B错误，选项C正确．热力学第二定律指出了所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性，并不是所有的物理过程都具有方向性，因此选项D的说法错误．
对熵的理解
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，就称这个系统的熵越大．
2．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，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行．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，不会使熵减少．
3．任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递．
4．一切自然过程的发生和发展中，总熵必定不会减少．
根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度，使其熵值达到最大值．
对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行．或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小．这就是熵增加原理．
下面关于熵的有关说法错误的是( )
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．熵值越大代表着越无序
[思路点拨] 熵是反映系统无序程度的物理量，熵越大，无序程度越大，一个孤立的系统熵永远不会减小．
[解析] 如果过程是可逆的，则熵不变；如果不可逆，则熵是增加的，而且一切自然过程都是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．
[答案] C
当热力学系统从一个平衡态经过绝热过程到达另一个平衡态，它的熵永不减小．如果过程是可逆的，则熵的数值不变；如果过程是不可逆的，则熵的数值增加．
3.(多选)下列关于熵的观点中正确的是( )
A．熵越大，系统的无序性越小
B．对于一个不可逆绝热过程，其熵不会减小
C．气体向真空扩散时，熵值减小
D．自然过程中熵总是增加，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多
解析：选BD.熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序性越大，A项错误．不可逆绝热过程中，其宏观态对应的微观态数目增加，其熵会增加，不会减小，B项正确．气体向真空中扩散，无序程度增大，熵值增大，C项错误．自然过程中，无序程度较大的宏观态出现概率较大，通向无序的渠道多，D项正确．
热机和永动机的比较
1．热机
(1)热机是把内能转化成机械能的一种装置．例如：蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能．
(2)热机的工作原理：工作物质从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器中．根据能量守恒有Q1＝W＋Q2.
(3)热机的效率：η＝，因为Q1＝W＋Q2，所以Q1>W，η<1.这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器中．热机的效率不可能达到100%.
2．第一类永动机
(1)第一类永动机：不消耗能量，能源源不断地对外做功的一种机器．
(2)第一类永动机不可能制成的原因是违背能量守恒定律．
3．第二类永动机
(1)第二类永动机：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机，效率为100%.
(2)第二类永动机不违背能量守恒定律，它不可能制成是因为违背热力学第二定律．
热力学第二定律常见的表述方式有两种，其一：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；其二：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．第一种表述方式可以用图甲来表示，根据你对第二种表述的理解，如果也用类似的示意图来表示，你认为图乙示意图中正确的是( )
[解析] 由题图甲可知，使热量由低温物体传递到高温物体必伴随着压缩机的做功，即引起其他变化；对于第二种方式，热机工作时，从高温物体吸收热量，只有一部分用来对外做功，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温物体，故B正确，A、C、D错误．
[答案] B
[随堂检测]
1．(多选)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．热量一定不可能从低温物体传给高温物体
解析：选AC.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．
2．(多选)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大
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：选ACD.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正确、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．
3．(多选)关于热机和永动机，下列说法中正确的是( )
A．效率为100%的热机是不可能制成的
B．第二类永动机可以制成
C．不需要任何外力做功而可正常运行的制冷机是不可能制成的
D．能把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
解析：选AC.热机在工作过程中，必然向外排出热量，故热机效率小于100%，故A对；由热力学第二定律可得C对，B错；内能要全部转化为机械能，必须借助外界的帮助，因而一定会引起其他变化，故D错．
4．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
解析：选B.热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现．热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故C、D错误，B正确．内能在一定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作要消耗电能，故A错误．
5．(多选)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．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加
C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功
D．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
解析：选ACD.根据热力学第一定律A对B错；根据热力学第二定律，若有外界的影响，则可实现从单一热源吸热使之完全变为功以及使热量从低温物体传到高温物体，C对；由宏观热现象的方向性知，D对．
[课时作业]
一、单项选择题
1．热力学第二定律指出( )
A．不可能使热量由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．热机效率η ≤1
D．大量分子参与的宏观过程具有方向性
解析：选D.热力学第二定律指出，热量可以从低温物体传到高温物体，但要引起其他变化，故A错，B也错．热机效率要小于1，不能等于1，C也错．一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，D对．
2．下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( )
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵会减小
解析：选A.从热力学第二定律的微观本质看，一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行，B、C错；热力学第二定律是一个统计规律，A对．任何自然过程总是朝着无序程度增大的方向进行，也就是熵增加的方向进行，故D错．
3．已知一个系统的两个宏观态甲、乙，及对应微观态的个数分别为较少、较多，则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法中正确的是( )
A．甲比较有序，乙比较无序，甲→乙
B．甲比较无序，乙比较有序，甲→乙
C．甲比较有序，乙比较无序，乙→甲
D．甲比较无序，乙比较有序，乙→甲
解析：选A.一个宏观态对应微观态的多少标志了宏观态的无序程度，从中还可以推知系统自发的方向，微观态数目越多，表示越无序，一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行，A对，B、C、D错．
4.如图所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁接触光滑，但不漏气，现将活塞杆与外界连接缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功．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，因此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．以上三种说法都不正确
解析：选C.此过程气体吸热膨胀内能不变，因此吸收的热量全部用来膨胀做功，但要发生这样的过程，必须借助外界某种变化，因此此过程不违反热力学第二定律，故C正确．
二、多项选择题
5．对“覆水难收”的叙述正确的是( )
A．盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较少，较为有序
B．盛在盆中的水是一种宏观态，因盆子的因素，对应的微观态数目较多，较为无序
C．泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较多，较为无序
D．泼出的水是一种宏观态，因不受器具的限制，对应的微观态数目较少，较为有序
解析：选AC.盛在盆中的水对应微观态的数目较少，较为有序，泼出去的水对应的微观态数目较多，较为无序，故A、C正确．
6．根据热力学第二定律分析，下列说法中正确的是( )
A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体
C．机械能可以全部转化为内能，但变化的内能不可以全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为内能，变化的内能也可以全部转化为机械能
解析：选BD.根据热传递的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地(不需要外界帮助)从低温物体传到高温物体．借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱就是接通电源后，压缩机对“制冷剂”(氟利昂等)做功，把热量从冰箱内部(低温物体)传向外部(高温物体)达到制冷目的的，故选项A错误，B正确．机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功而最终停止运动时，机械能全部转化为内能)，在一定条件下，变化的内能也可以全部转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全部用来做功，因此选项C错误，选项D正确．
7.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，内能不变
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：选AD.据热力学第二定律知，自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性，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．
三、非选择题
8.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．
解析：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．
答案：不违反 热水温度降低，冷水温度升高 能的转化见解析
9．如图所示，质量、温度相同的酒精，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？
解析：根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律可理解为：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．质量相同，温度相同的酒精，可以由固体自发地向液体、气体转化，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小．
答案：见解析
10．有人估算使地球上的海水降低0.1 ℃，就能放出5.8×1024 J的热量，这相当于1 800个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量．假定整个海洋都具有同一温度，你能设计一种只靠吸收海水的热量推动轮船航行，而不需要燃料的机器吗？
解析：
这种靠吸收海水热量推动轮船航行的热机基本结构如图所示．设大气温度为t2，海水温度为t1，在不同的温差下，热机的工作情况不同．当t2≥t1时，热机无法从海水中吸取热量对外做功，否则将需要一个用于放热的更低温的热源．当t2答案：见解析
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