3.4 热力学第二定律（解析版）

第4节热力学第二定律【知识梳理与方法突破】1.热力学第二定律的理解（1）“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例，它是靠电流做功把热量从低温处“搬”到高温处的。（2）“不产生其他影响”的含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。（3）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。如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而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。（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。（5）热力学第二定律的两种表述是等价的，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。2.热力学第一定律与第二定律的比较项目热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能热量的传递热量可以从高温物体自发地传到低温物体说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式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3.能量耗散的理解（1）各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。（2）从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。所以，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。（3）能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。（4）能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。【例】关于热力学定律下列说法正确的是（）A．气体向真空的自由膨胀是可逆的B．一定质量的理想气体绝热膨胀时对外做功，气体内能减小C．空调机既能制热又能制冷，这不遵循热力学第二定律D．只要技术不断进步，内燃机效率可以达到百分之百【针对训练】关于能量和能源，下列说法正确的是（）A．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造B．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源C．自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减少，但能量品质提升了【对点检测】1．下列哪个过程具有方向性（）①热传导过程②机械能向内能的转化过程③气体的扩散过程④气体向真空中的膨胀A．①② B．②③ C．①②③ D．①②③④2．对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是（）A．一定质量的气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收80J的热量，则它的内能增大20JB．物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少C．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体D．热现象过程中不可避地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律3．能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的，下列说法正确的是（）A．热量可能会从低温物体传到高温物体B．随着技术进步，最终使热机的效率达到100％C．能源在使用过程中，能量总量逐渐减少，因此要节约能源D．物体只要与外界进行热交换，其内能就一定发生变化4．下列有关热学知识的说法中正确的是（）A．热量可以从低温物体传递给高温物体B．不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功C．第二类永动机不可能制成的原因是违反了能量守恒定律D．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部转化为机械能5．下列关于能量转换过程的叙述，不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律的有（）A．压缩气体时气体内能的增加量可能大于外界对气体所做的功B．气体向真空自由膨胀时不对外做功，不耗散能量，所以该过程是可逆的C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内6．下列关于热力学定律的说法正确的是（）A．如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温度一定相等B．外界对某系统做正功，该系统的内能一定增加C．可以找到一种材料做成墙壁，冬天供暖时吸收热量温度升高，然后向房间自动释放热量供暖，然后再把热量吸收回去，形成循环供暖，只需要短时间供热后即可停止外界供热D．低温系统可以向高温系统传递热量7．我国航天员漫步太空已成为现实。飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此将此设施专门做成了飞船的一个舱，叫“气闸舱”，其原理如图所示。两个相通的舱A、B间装有阀门K。指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡。若将此气体近似看成理想气体，则（）A．气体体积膨胀，对外做功B．气体分子势能减小，内能增加C．气体体积变大，温度不变D．B中气体不可能自发地全部退回到A中8．关于电冰箱，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不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为它消耗了电能C．电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律D．电冰箱的工作原理违背热力学第二定律第4节热力学第二定律【知识梳理与方法突破】1.热力学第二定律的理解（1）“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例，它是靠电流做功把热量从低温处“搬”到高温处的。（2）“不产生其他影响”的含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。（3）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。如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而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。（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。（5）热力学第二定律的两种表述是等价的，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。2.热力学第一定律与第二定律的比较项目热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能热量的传递热量可以从高温物体自发地传到低温物体说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式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3.能量耗散的理解（1）各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。（2）从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。所以，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。（3）能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。（4）能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。【例】关于热力学定律下列说法正确的是（）A．气体向真空的自由膨胀是可逆的B．一定质量的理想气体绝热膨胀时对外做功，气体内能减小C．空调机既能制热又能制冷，这不遵循热力学第二定律D．只要技术不断进步，内燃机效率可以达到百分之百【答案】B【详解】A．根据热力学第二定律知气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故A错误；B．一定质量的理想气体绝热膨胀时对外做功，因为绝热，无法从外界吸热，所以气体内能减小，故B正确；C．空调机既能制热又能制冷，但是要耗电，即热传递有方向性，热量只能自发地由高温物体传向低温物体，故C错误；D．根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%，即使对内燃机不断改进，也不可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能，故D错误。故选B。【针对训练】关于能量和能源，下列说法正确的是（）A．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造B．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源C．自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减少，但能量品质提升了【答案】C【详解】A．化石能源不是清洁能源；水能是可再生能源，选项A错误；B．在能源的利用过程中，虽然能量在数量上并未减少，但是能源的品质再降低，所以还需要节约能源，选项B错误；C．根据热力学第二定律可知，自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性，选项C正确；D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减小，但能量品质降低了，选项D错误；故选C。【对点检测】1．下列哪个过程具有方向性（）①热传导过程②机械能向内能的转化过程③气体的扩散过程④气体向真空中的膨胀A．①② B．②③ C．①②③ D．①②③④【答案】D【详解】这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，根据热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性。故D正确，ABC错误。故选D。2．对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是（）A．一定质量的气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收80J的热量，则它的内能增大20JB．物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少C．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体D．热现象过程中不可避地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律【答案】D【详解】A．根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100J＋80J＝-20J它的内能减小20J，故A错误；B．根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，故B错误；C．通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，故C错误；D．能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律。故D正确；故选D。3．能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的，下列说法正确的是（）A．热量可能会从低温物体传到高温物体B．随着技术进步，最终使热机的效率达到100％C．能源在使用过程中，能量总量逐渐减少，因此要节约能源D．物体只要与外界进行热交换，其内能就一定发生变化【答案】A【详解】A．由热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传到低温物体，热量可以从低温物体传向高温物体，但要引起其它变化，故A正确；B．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，故B错误；C．根据热力学第二定律可知，能源的使用过程能量的总量守恒，但可利用能源会逐步减少，因此节约能源是我们每个人的责任，故C错误；D．物体与外界进行热交换，其内能不一定发生变化，由热力学第一定律可知还要看外界对物体做功情况，故D错误。故选A。4．下列有关热学知识的说法中正确的是（）A．热量可以从低温物体传递给高温物体B．不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功C．第二类永动机不可能制成的原因是违反了能量守恒定律D．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部转化为机械能【答案】AD【详解】A．根据热力学第二定律，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A正确；B．在外界的影响下，气体可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功，故B错误；C．第二类永动机不可能制成的原因是违反了热力学第二定律，故C错误；D．在引起其它变化的情况下，机械能可以全部转化为内能，如运动的物体只受摩擦力停下来，内能也可以全部转化为机械能，故D正确。故选AD。5．下列关于能量转换过程的叙述，不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律的有（）A．压缩气体时气体内能的增加量可能大于外界对气体所做的功B．气体向真空自由膨胀时不对外做功，不耗散能量，所以该过程是可逆的C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内【答案】BC【详解】A．根据热力学第一定律可知，压缩气体时，有两种可能，一是如果不向外放出热量，气体增加的内能等于外界对气体做功；二是如果向外放出热量，气体增加的内能小于外界对气体的功，所以压缩气体时气体内能的增加量可能大于外界对气体所做的功，该过程违背热力学第一定律，A错误；B．气体向真空自由膨胀时不对外做功，不耗散能量，所以该过程是不可逆的，该过程不违背热力学第一定律，违背热力学第二定律，B正确；C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，不违背热力学第一定律，而不产生其他影响违背了热力学第二定律，C正确；D．制冷机消耗电能工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，发生了内能的转移，同时对外界产生了影响。既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律，D错误。故选BC。6．下列关于热力学定律的说法正确的是（）A．如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温度一定相等B．外界对某系统做正功，该系统的内能一定增加C．可以找到一种材料做成墙壁，冬天供暖时吸收热量温度升高，然后向房间自动释放热量供暖，然后再把热量吸收回去，形成循环供暖，只需要短时间供热后即可停止外界供热D．低温系统可以向高温系统传递热量【答案】AD【详解】A．如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温度一定相等，故A正确；B．根据可知，外界做正功即，有可能同时放热即，那么内能的变化不确定，故B错误；C．根据热力学第二定律，题中所述的现象是不可能实现的，故C错误；D．低温系统向高温系统传递热量是可以实现的，前提是要引起其他变化，故D正确；故选AD。7．我国航天员漫