热力学第二定律-2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

第3章热力学定律第3节热力学第二定律课标要求1.通过自然界中宏观过程的方向性,了解热力学第二定律。(物理观念)2.了解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。(物理观念)3.了解什么是第二类永动机,知道为什么它不可能制成。(物理观念)基础落实·必备知识全过关一、可逆过程与不可逆过程1.可逆过程:一个系统由某一状态出发,经过某一过程达到另一状态,如果存在另一过程,它能使系统和外界完全复原,即系统回到原来的状态,同时消除原来过程对外界的一切影响,则原来的过程称为

;如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原,则原来的过程称为

。

2.热传递是不可逆过程,具有

。

3.功热转化这一现象是不可逆的,具有

。

4.凡是与热现象有关的宏观过程都具有

。

可逆过程

不可逆过程方向性方向性方向性二、热力学第二定律及第二类永动机1.热力学第二定律的克劳修斯表述:不可能使热量从

物体传向

物体而不引起其他变化。

2.热机(1)热机工作的两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的

转化为工作物质的

。第二个阶段是工作物质对外

,把自己的内能转化为

。

(2)热机的效率η:热机对外做的

与它从高温热源吸收的

的比值,用公式表示为

。热机的效率不可能达到100%。

低温高温化学能内能做功机械能功热量3.热力学第二定律的开尔文表述:不可能从单一热源

热量,使之完全用来

而不引起其他变化。

4.第二类永动机(1)第二类永动机:从单一热源吸收热量并使之完全转化为功而不引起其他变化的机器。(2)第二类永动机是

实现的。

吸收做功不可能想一想热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”?提示

不能。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,使高温物体的温度降低,低温物体的温度升高,这个过程是自发进行的,不需要任何外界的影响或者帮助,有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体,如电冰箱,但这不是自发进行的,需要消耗电能。易错辨析

判一判(1)热量不会从低温物体传给高温物体。(

)(2)机械能可以完全转化为内能,内能也可能完全转化为机械能。(

)(3)可以从单一热源吸收热量,使之完全用来做功。(

)(4)第二类永动机违背了能量守恒定律。(

)提示

热量可以从低温物体传向高温物体,例如电冰箱。

提示

第二类永动机违背了热力学第二定律。

×√√×即学即用

练一练在研究性学习的过程中,同学们提出了以下四个活动方案,从理论上讲可行的是(

)A.将散失在周围环境中的内能全部收回再利用B.发明一种制冷设备,使温度降至绝对零度C.汽车尾气中各类有害气体排入大气后发生扩散现象严重污染了空气,使它们自发地聚在一起,既清洁了空气,又变废为宝D.在房屋顶部盖上太阳能板,可用太阳能来解决照明和热水问题D解析

系统的内能流失到周围环境中,想要全部收回再利用只能消耗更多能源,A错误;温度不能无限降低,绝对零度不可能达到,B错误;扩散现象具有方向性,逆过程不可能自发进行,C错误;太阳能可以用来发电和进行加热,D正确。重难探究·能力素养全提升探究点一对热力学第二定律的理解导学探究如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,通过示意图思考以下问题:(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热源传到高温热源吗?(2)热机工作时能否将从高温热源吸收的热量全部用来做功?要点提示

(1)不是

(2)不能

知识归纳1.自然过程的方向性(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,因而产生其他影响或引起其他变化。(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,决不会自发地分开,恢复为原来两种不同的气体。(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。2.在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不产生其他影响”“单一热源”“不可能”的含义(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)“单一热源”: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。(4)“不可能”:实际上热机或制冷机系统循环终了时,除了从单一热源吸收热量对外做功,以及热量从低温热源传到高温热源以外,过程所产生的其他一切影响,不论用任何的办法都不可能加以消除。画龙点睛

(1)热力学第二定律的两种表述是等价的。(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,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。典例剖析A【例题1】

(2025重庆高二下期中)根据热力学第二定律,下列说法正确的是(

)A.热量可以从低温物体传到高温物体B.对能源的过度消耗不会形成“能源危机”C.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能D.一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的解析

热量可以从低温物体传到高温物体,A正确;对能源的过度消耗,可利用的能源越来越少,会形成“能源危机”,B错误;蒸汽机的效率不能达到百分之百,蒸汽机只能把蒸汽的一部分内能转化为机械能,C错误;一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,D错误。规律方法

1.一切物理过程均遵守能量守恒定律,但遵守能量守恒定律的物理过程不一定都能实现。2.热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”,但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”,如果去掉这种前提条件,就都是有可能的。例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体,等温膨胀就是从单一热源吸收热量,使之完全用来做功,但不是自发地或是产生了其他影响。D对点演练1.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,内能减少B.气体分子势能减少,内能增加C.气体分子动能增加,内能不变D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中去解析

打开阀门K后,P中气体进入Q中,由于Q内为真空,气体体积增大时并没有对外做功,分子势能不变,又因为系统没有热交换,由热力学第一定律可知,其内能不变,温度不变,则气体分子动能不变,选项A、B、C错误;由热力学第二定律可知,自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性,则Q中气体不可能自发地全部退回到P中去,选项D正确。探究点二第二类永动机导学探究国内某柴油机厂所产的单缸柴油机如图所示,图中上方部分为水箱。

热机工作时,内能可以全部转化为机械能吗?水箱所起的作用是什么?要点提示

热机工作时,内能有一部分转移到低温热源,不可能全部转化为机械能;水箱的作用是作为低温热源给热机快速降温。知识归纳1.热机(1)热机热机是把内能转化为机械能的一种装置。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散发到冷凝器或大气中。根据能量守恒定律有Q1=W+Q2。符合热力学第二定律

(3)热机的效率把热机做的功W与它从热源中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率,用η因为Q1=W+Q2,所以Q1>W,η<1。(4)注意事项①热机必须有热源和冷凝器。②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。③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。④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热量百分之百地转化为机械能,总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。2.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。(2)第二类永动机不可能制成这类机器虽然不违背能量守恒定律,但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的,热机工作时从高温热源吸收的热量Q,只有一部分用来做功W,转变为机械能,另一部分热量要排放给低温热源。也就是说,热机在工作过程中必然排出部分热量,热机用于做机械功的热量仅是它从高温热源吸收热量的一部分,绝不会是全部,所以第二类永动机是不可能制成的。从上面的分析可知,即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失,也总有W<Q,所以热机的效率总达不到100%。汽车发动机的效率一般在20%~30%,燃气轮机的效率较高,可达60%左右。(3)热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成。3.两类永动机的比较

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热力学第一定律违背了热力学第二定律典例剖析【例题2】

(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是第二类永动机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而不引起其他变化AD解析

根据所学的热机知识可知选项A正确。第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,所以选项B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能,选项C错误,选项D正确。对点演练2.关于两类永动机和两个热力学定律,下列说法正确的是(

)A.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律C.由热力学第一定律可知,做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能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,从单一热源吸收热量,完全用来做功也是可能的D解析

第一类永动机违反热力学第一定律,选项A错误;第二类永动机违反热力学第二定律,选项B错误;由热力学第一定律可知当W≠0,Q≠0时,ΔU=W+Q可以等于0,选项C错误;由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的,但一定会产生其他影响,选项D正确。学以致用·随堂检测全达标123451.(多选)根据热力学第二定律,下列判断正确的是(

)A.电能不可能全部变为内能B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部变为电能C.热机中,燃气内能不可能全部变为机械能D.在热传导中,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体BCD

解析

根据热力学第二定律可知,凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,电能可全部变为内能(由焦耳定律可知),内能不可能全部变成电能,而不产生其他影响。热机中,机械能可全部变为内能,而内能不可能全部变成机械能。在热传导中,热量只能自发地从高温物体传递给低温物体,而不能自发地从低温物体传递给高温物体。12345D2.(2025云南昆明高三上期中)关于热力学定律的说法中,正确的是(

)A.第二类永动机不可能制成的原因是它们都违背了能量守恒定律B.气体吸收热量时温度一定升高C.压缩气体时,体积越小越困难是因为气体体积越小,气体分子间斥力越大D.可以从单一热源吸收热量全部用来对外做功12345解析

第一类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律,第二类永动机不可能制成是违反了热力学第二定律,故A错误;气体吸收热量的同时可以对外做功,温度可能升高,可能不变,也可能降低,故B错误;压缩气体体积越小越困难是因为气体体积越小,容器内外的压强差越大,与气体分子间斥力无关,故C错误;从单一热源吸收热量在引起其他变化时可全部用来对外做功,例如绝热膨胀,故D正确。123453.如图所示,绝热的气缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分,活塞质量不计,活塞用销钉锁住,活塞与气缸之间没有摩擦,气缸左边装有一定质量的理想气体,右边为真空,现在拔去销钉,抽去活塞,让气体向右边的真空做绝热自由膨胀,下列说法正确的是(

)A.气体在向真空膨胀的过程中对外做功,气体内能减少B.气体在向真空膨胀的过程中,分子平均动能变小C.气体在向真空膨胀的过程中,分子平均动能变大D.若无外界的干预,气体分子不可能自发地退回到左边,使右边重新成为真空D12345解析

由于活塞质量不计,右边为真空,所以气体膨胀时不做功,又因为是绝热气缸,所以气体内能不变,A错误;气体在向真空膨胀的过程中,不做功,不交换热量,内能不变,故温度不变,分子平均动能不变,B、C错误;根据热力学第二定律可知,涉及热现象的宏观过程具有方向性,所以若无外界的干预,气体分子不可能自发地退回到左边,使右边重新成为真空,D正确。123454.(多选)电冰箱的工作原理图如图所示,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.冰箱内传到