高中物理第十章热力学定律4热力学第二定律学案新人教版选修3-3

热力学第二定律

♦知识馆接导图

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识

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m课前自主学习KEQIANZIZHUXUEXI自主回腐•打底/

预习导引

一、热传导的方向性

1.温度不同的两个物体接触时，热量会巨强地从高温物体传给低温物体，但不会自发

地从低温物体传给高温物体，这说明热传导的过程具有互向性.

2.无数事实告诉我们，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的.

结合电冰箱的工作情况想一下，热传导的方向性是否说明“热量不能从低温物体传给高

温物体”？

提示：不能.这是因为热量能从低温物体传向高温物体，只不过不能自发进行，需要外

界帮助罢了.

二、热力学第二定律

1.定义：在物理学中，反映宏观自然过程的斑雎的定律就是热力学第二定律.

2.表述

(1)克劳修斯表述：热量不能改地从低温物体传到高温物体.(该表述阐述的是热传递

的方向性)

(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响.(该

表述阐述的是机械能与内能转化的方向性)

(3)其他表述：对任何一类宏观自然过程进行方包的说明，都可以作为热力学第二定律

的表述.例如，热力学第二定律可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的.

三、热机和第二类永动机

1.热机

(1)热机工作的两个阶段：

第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的化学能变成工作物质的内能.

第二个阶段是工作物质对外陛功，把自己的内能变成挺施能.

(2)热机的效率：

热机输出的机械功』:与燃料燃烧产生的热量。的比值叫作热机的效率，用公式可表述为

H'

n=飞

2.第二类永动机

(1)定义：只从单一热库吸收热量，并使之完全变成有用功而不产生其他影响的热机.

(2)第一类永动机不可制成的原因：违背了热力学第一定律.

习1X332

如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气，没有摩擦，也没有机体热量损失，是

否能使热机的效率达到100%?

提示：不能.这是因为由热力学第二定律可知热机的工作物质吸收的热量不能完全用来

对外做功，而不产生其他影响.

0课堂考点演练KETANGKAODIANYANUAN.........................................................................................谋堂互动•提傀力

考点一对热力学第二定律的理解

考点解读

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.

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「从低温物休吸收热量、高温物体得到热量外，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，而是这样做功的过程中，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发热传递是不可能的.

3.关于“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了付，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

何曲折独朵的办法都不nJ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惘内的宏观过程，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.

5.两种表述是等价的：两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性.两种表述可以相

互推导.

。

自

发

地

如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立.

♦考点例析

【例1】如图所示的汽缸内盛有一定质里的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境温

度保持恒定，活塞与汽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（）

杆

A.气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，因此过程违反热力学第二定律

B.气体是从单•热库吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定

C.气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律

D.以上三种说法都不正滴

热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产

生其他影响.

【解析】外界温度均匀且怛定，符合单一热库的观念；乂气体温度没有变化，内能没

有变化，则吸收的热量全部用来做功.但因为系统体积变化了，也就是说产生了其他影响，

所以并没有违反热力学第二定律.

【答案】C

总结提能（1）在应用热刀学第二定律分析问题时，最容易忽略的就是所谓的“其他影

响”，如本题中“气体体积膨张”即为“其他影响”，若忽略了这一点，则此过程中气体从

单一热源吸热，并全部用来做功了，应该是违反热力学第二定律的，这样就会错选A.

（2）牢牢抓住热力学第二定律两个表述中的关键词，一个是“自发”，一个是“其他影

响”，在考虑任何和热现象有关的过程能否发生时，都应首先看是否符合这两条.

爆

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（B）

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_L作时，从岛温物体吸收热量:，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，故选项B正确，选项A、C、D错误.

考点二热力学第一定律和第二定律的比较

考点解读

1.两个定律比较：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式，在转

化的过程中，总的能量保持不变.热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现

象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性.

2.两类永动机的比较

第一类永动机：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）.

第二类永动机：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）.

考点例析

【例2】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，能量守恒定律二经包含了热力学第一定律和热力学第二定律

彭审题揩学

准确透彻地理解热力学第•定律和热力学第二定律的几种表述方式是解答木题的关键.

【解析】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

律在热学中的具体体现.热力学第二定律则进•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项正确：内能

在一定条件下可以全部转化为丸械能，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还要消耗电能，故A错误.

【答案】B

总结提能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，并不违背能量守

恒定律，热力学第一定律揭示了能量守恒定律中的内能变化的方式.

助魏2

下列说法正确的是（D）

A.热量不能由低温物体传递到高温物体

B.外界对物体做功，物体的内能必定增加

C.第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律

1）.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

解析：根据热力学第一定律，热量不能自发地由低温物体传涕到高温物体，而不引起苴

他变化.在发生其他变化的前奏下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱制冷

时，压缩机工作，消耗了电能，同时热量由冰箱内的低温物体传递到冰箱外的高温物体，所

以A错.外界对物体做功的同时，物体可能放热，物体的内能不一定增加，所以B错.第二

类永动机的效率为100%,并不违反能量守恒定律，但它违反了热力学第二定律中热机效率必

小于1的表述，因此它不可能制成，所以C错.而D选项中的表述就是热力学第二定律的一

种表述形式，所以D正确.

常见误区例析

关于热力学第二定律理解的四个误区

误区1：误认为热量不能从低温物体传到高温物体

产生误区的原因是对热力学第二定律的克劳修斯表述不理解.热量不能自发地从低温物

体传到高温物体，在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体.

误区2：误认为功可以变成热，热不能完全变成功

其原因是不理解热力学第二定律的开尔文表述，功可以全部变成热，热在一定条件下也

可以全部变成功.

误区3：误认为气体向真空的自山膨胀是可逆的

产生误区的原因是对热力学第二定律的表述理解不透，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，气体向真空的自由膨胀是不可逆的.

误区4：误认为热机的效率可以是100%

产生误区的原因是对热机的工作原理理解不清，热机工作时从高温热库吸热。，一部分

对外做功/转变为机械能、另一部分热量排放到低温热库，即收。，由〃=9乂］00与知热机效

率总小于100%.

【典例】在研究性学工的过程中，同学们提出了以卜.四个活动方案，哪些从理论上讲

是可行的（）

A.改进热机的生产工艺，总有一天热机的效率可以达到100%

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严里污染了空气，想办法使它们自发地分离,

既清洁了空气，又变废为宝

I）.将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题

【解析】通过以卜表格进行逐项分析：

选项情景与过程分析判断

A热机的效率在任何条件下都不可能达到100%X

B温度不能无限降低，绝对零度不可能达到X

C扩散现象具有方向性，逆过程不可能自发进行X

D太阳能灯以用来发电和进行加热

【答案】D

西课堂效果检测KETANGX1A0GU0JIANCE-------------------------------------------------------------------------------课堂检测•圄效果

1.卜列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是（A）

A.大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会

自动分开

B.将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清

水不会自动分开

C.冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动

起来

D.随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%

解析：热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，A不属于热

现象.

2.（多选）随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，近期油价不断攀升，已

对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，

能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一，下列有关能量转化的说法中错误的是（BCD）

A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他的变化

B.只要对内燃机不断改志，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能

C.满足能量守恒定律的物理过程都能自发的进行

D.外界对物体做功，物为的内能必然增加

解析：由热力学第二定律的开尔文表述可知A对.热机效率总低于100乐B错.满足能

量守恒的过程未必能自发进行，任何过程一定满足热力学第二定律，C错.由热力学第一定律

A八肝b。可知,冷0,不一定大于0,即内能不一定增加,D港.

3.（多选）下列哪些过程具有方向性（ABCD）

A.热传导过程

B.机械能向内能的转化这程

C.气体的扩散过程

D.气体向真空中的膨胀

解析：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的基本内涵，它

们都