2024-2025学年高中物理第十章热力学定律第4节热力学第二定律练习含解析新人教版选修3-3

第4节热力学其次定律

核心素养定位>>>

1.了解热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性，了解什么是热力学其

次定律。

2.了解热力学其次定律的两种表述，以及两种表述的物理实质。

3.了解什么是其次类永动机，知道其次类永动机不能制成的缘由。

4.能运用热力学其次定律说明自然界中的能量转化、转移及宏观自然过程的方向性问题。

01课前自主学习KEQIANZIZHUXUEXI==

一、热力学其次定律的两种表述

I.热力学其次定律的克劳修斯表述

(1)热力学其次定律(概念)：反映过宏观自然过程的方向性的定律。

(2)克劳修斯表述：热量不能自发地从理低温物体传到的温物体。即热传导的过程具有

四方向性。

2.热力学其次定律的开尔文表述

(1)热机

①热机工作的两个阶段

第一个阶段是因燃烧燃料,把燃料中的化学能变成工作物质的内能。

其次个阶段是工作物质匹对外做功,把自己的内能变成机械能。

②热机的效率：热机输出的机械功/与燃料产生的热量。的比值。用公式表示为因

(2)开尔文表述：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响。即

机械能与内能转化具有方向性。

(3)热力学其次定律的其他描述

①气体向真空的自由膨胀是四不行逆的。

②•切宏观自然过程的进行都具有西方向性。

(4)其次类永动机

①定义

只从单•热源汲取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变更的通幽。

②其次类永动机不行能制成

其次类永动机不违反总能量守恒定律,但违反溶热力学其次定律。

二、热力学第肯定律、热力学其次定律的比较及两类永动机的比较

1.热力学其次定律与热力学第肯定律

(1)热力学第肯定律揭示了邑做功和用热传递对变更物体内能的规律关系A£『=西"+Q

指明内能不但可以转移，而且丕能跟其他形式的能相互转化。热力学第肯定律就是内能与其

他能量发生转化时的能量守恒定律，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性。

告诫人们：第一类永动机不行能制成。热力学第肯定律只有一种表述形式。

(2)热力学其次定律的每一种表述都揭示了大量分子参加的宏观过程的方向性。如机械能

nJ以全部转化为内能，内能却不行能全部转化为机械能而不引起其他变更，进而使人们相识

到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。告诫人们：其次类永动机不行能制

成。热力学其次定律有四多种表述形式。

(3)两定律的关系：热力学第肯定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的表达形式，

说明功及热量与内能变更的定量关系，而其次定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和

过程进行的方向，指出了一切变更过程的自然发展方向不行逆，除非靠外界膨响。所以二者

相互独立，又相互补充。

2.两类永动机的比较

分类第一类永动机其次类永动机

因不消耗任何能量,可以不断对外将内能全部转化为班机械能，而不

设计

做功(或只赐予很小的能量启动后，引起其他变更(或只有一个热库，实

要求

可以恒久运动下去)现内能与机械能的转化)

不行能

违反了能量但守恒定律违反了四热力学其次定律

的缘由

判一判

(1)任何物体的内能就是组成该物体的全部分子热运动动能的总和。()

⑵满意能量守恒定律的物理过程都能自发进行。()

(3)将海水温度自动卜.降时释放的内能可以全部转化为机械能。()

(4)能够制成的热机既不违反能量守恒定律，也不违反热力学其次定律。()

提示：⑴X⑵X(3)X(4)V

02课堂探究评价KETANGTANJIUPINGJIA

课堂任务U对热力学其次定律的理解

1.热力学其次定律克劳修斯表述阐述了热传递的方向性。其含义是热量从高温物体传递

到低温物体是一个自发过程，不须要任何第三者的介入，不会对任何第三者产生任何影响。

“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助。如：重物下落、植物的开花结果等都是自然界

客观存在的一些过程，它们不受外界干扰，这就是自发的过程。

2.热量也可以由低温物体传到高温物体，但这肯定不是一个自发过程，这个过程必需有

第三者的介入。

3.热力学其次定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：通过做功，机械能

可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化成机械能而不产生其他影响。

4.热力学其次定律的实质：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

»特别提醒热力学其次定律的每一种表述，揭示了大量分子参加的宏观过程的方向性,

使人们相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。

例1(多选)依据热力学其次定律，下列说法正确的是()

A.热机中燃气的内能不行能全部变成机械能

B.电能不行能全部转变成内能

C.在火力发电机中，燃气的内能不行能全部转变成电能

D.在热传导中，热量不行能自发地从低温物体传递给高温物体

［规范解答］热力学其次定律指明白宏观热现象具有方向性，利用这一方向性特点进行

分析。凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采纳任何设备和手段进行能量转

化，依据热机工作原理，热机工作时从高温热库吸热，•部分对外做功，•部分产生热量排

出.热机的机械效率总小于100%.故A正确。火力发电机发电时,能是转化的过程为内能一

机械能一电能，因为内能一机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必定不能全

部变为电能，C正确。热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必需借助外界的帮助，

结果会带来其他影响，这正是热力学其次定律第一种表述的主要思想，故D正确。由电流热

效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能，故B错误。

［完备答案］ACD

一限律点拨］-----------------------------------

对热力学其次定律的理解

(1)理解热力学其次定律的实质，即自然界中进行的全部涉及热现象的宏观过程都具有方

向性。理解的关键在于“自发”和“不引起其他变更”。

(2)还要正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响。

［变式训练1］（多选）依据热力学其次定律，下列说法中正画的是（）

A.不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功，而不引起其他变更

R.没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源汲取的热量全部用来做功，而不引起

其他变更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更

D.不行能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其池变更

答案AI）

解析热力学其次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需借助外界的

帮助，因而引起其他变更，故A正确，B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，但要从低温物体传递到高温物体，必定引起其他变更（外界对系统做

功），故C错误，D正确。

课堂任务2热力学其次定律的应用

热力学其次定律应用时要留意的几个问题

1.单一热库：指温度匀称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。

2.其他影响：指除了从单一热库汲取热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除

了从低温物体汲取热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变更。不是不能从单

一热库汲取热量而时外做功，而是这样做的结果，仃定伴随着其他变更或影响。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传热是不行能的。

3.关于“不行能”：事实上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库汲取热量对

外做功，以及热量从低温热库，’专到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何

曲折困难的方法都不行能加以消退。

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。

5.两种表述是等价的

假如克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。

例2关于其次类永动机的说法，正确的是（）

A.其次类永动机不行能制成，因为违反了能量守恒定律

B.其次类永动机不行能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性

C.其次类永动机不行能制成，因为同时违反了能量守恒定维和热力学其次定律

D.其次类永动机不行能制成，因为没有足够精细的制作工艺

［规范解答］其次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

引起其他任何变更，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学其次定律，只有B正确。

［完益答案］B

［变式训练2］关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是（）

A.将地球上全部海水的温度降低0.2C,以放出大量的内能供人类运用

B.布朗运动是液体分子的运动，它说明液体分子永不停息地做无规则的运动

C.在热传递中，热量肯定是从内能多的物体传向内能少的物体

D.在热传递中，热量自发地从温度高的物体传到温度低的物体

答案D

解析自然界一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、C错误：布朗运动不是液

体分子的运动，而是固体颗粒的运动，B错误。故只有D正确。

03课后课时作业KEHOUKESHIZUOYE=二

A组：合格性水平训练

1.（对热力学其次定律的理解）（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逋之一，下列有关能量转化的

说法中错误的是（）

A.不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功.而不引起其他的变更

B.只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能

C.满意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，物体的内能必定增加

答案BCD

解析由热力学其次定律的开尔文表述可知A正确。热机效率总低于100峪B错误。满

意能量守恒的过程未必能自发进行，任何过程肯定满意热力学其次定律，C错误。由热力学第

肯定律△〃三可知，//>0,△〃不肯定大于0,即内能不肯定增加，D错误。

2.（对热力学其次定律的理解）我们绝不会看到：一个放在水平地而上的物体，靠降低温

度，可以把内能自发地转化成功能，使这个物体运动起来，其缘由是（）

A.违反了能量守恒定律

B.在任何条件下内能不行能转化为机械能，只有机械能转化成内能

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

解析虽然不违反能量守恒定律，但违反热力学其次定律，因而不行能发生，故C正确。

3.（对热力学其次定律的理解）（多选）下列哪些现象能够发生，并且不违反热力学其次定

律（）

A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热

B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能

C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分别

D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体

答案CD

解析A、B都违反了热力学其次定律，都不能发生，C中系统的势能削减了，D中消耗了

电能，所以不违反热力学其次定律，均能发生。

4.（对热力学其次定律的理解）（多选）依据热力学其次定律，可知下列说法中正确的有

（）

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，也可能从低温物体传到高温物体

C.机械能可以全部转化为内能，但内能不行能全部转化为机械能

D.机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能

答案BD

解析依据热传递规律可知热量不行能自发地从低温物体传到高温物体。但在肯定条件

下，热量也可以从低温物体传到高温物体，例如电冰箱等就是这样的装置。因此B正确，A错

误：机械能可以全部转化为内能，在肯定条件下，内能也可以全部转化为机械能。例如气体

的等温膨胀，就是将汲取来的热量全部用来对外做功，但是它引起「肯定的变更，那就是气

体膨胀了，要使气体回到原来状态，就必需对气体做功。因此D正确，C错误。

5.（综合）（多选）下列说法中正确的是（）

A.第一类水动机不行能制成是因为它违反了能量守恒定律

B.其次类永动机不行能制成是因为它违反了能量守恒定律

C.热力学第肯定律和热力学其次定律是相互独立的

D.热力学其次定律的两种表述是等效的

答案ACD

解析本题的关键是要了解第一类、其次类永动机是在什么状况下设想的，及对热力学

两大定律的理解。第一类永动巩是想“创生”能量，违反了能量守恒定律：其次类永动机是

想使热机效率〃=1,违反了热力学其次定律（没有违反能量守恒定律）。热力学第肯定律是能

量守恒定律在内能与其他形式能转换时的详细表达，热力学其次定律指出自然界中与热现象

有关的宏观过程都具有方向性，它们分别从不同侧面揭示了热现象的本质，是相互独立的。

热力学其次定律的两种表述是等效的，故A、C、D止确。

6.（热力学其次定律的应用）（多选）下列说法中正确的是（）

A.满意能量守恒定律的客观过程并不是都可以自发地进行的

B.一切宏观热力学过程都具有方向性

C.制冷系统将冰箱内温度较低的食品的热量传给外界较高混度的空气，这违反了“热量

只能从温度较悬的物体传到温度较低的物体”的规律

D.电冰箱从箱内温度较低的食品汲取的热量等于冰箱向外界空气释放的热量

答案AB

解析由热力学其次定律知，A、B正确：热量只能自发地从高温物体传向低温物体，但

在满意了行定条件后，热量也能够从低温物体传向高温物体一非自发性的传导，C错误；在电

冰箱制冷过程中，由于做功效率无法达到100%,所以电冰箱从箱内低温食品汲取的热量小于

冰箱向外界释放的热量，D错误。

7.（综合）关于热力学第肯定律和热力学其次定律，下列论述正确的是（）

A.热力学第肯定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而•热力学其次定律则指出内

能不行能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互冲突的

B.内能可以转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不冲突

C.两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不冲突，而且没有本质区分

D.其实，能量守恒定律已经包含了热力学第肯定律和热力学其次定律

答案B

解析热力学第肯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

热力学中的详细表现，热力学其次定律则进一步阐明白内能与其他形式能量转化时的方向性,

两者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不冲突，故A、C、D错误，B正确。

B组：等级性水平训练

8.（对热力学其次定律的理解）（多选）关于热力学其次定律的理解，下列说法正确的是

（）

A.热力学其次定律是一个试验定律

B.反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学其次定律

C.一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性

D.气体向真空中膨胀的过程具有方向性

答案BCD

解析热力学其次定律是一个统计规律而不是试验定律，A错误；任何宏观自然过程的不

行逆性都可以说明热力学其次定律，B正确：与热现象有关的宏观过程都是不行逆的，C正确：

气体向真空中膨胀的过程是不行逆的，D正确。

9.（综合）17世纪70年头，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斜面上、下端各有一个小孔只Q,斜

而下有一个连接两小孔的弯曲轨•道。维尔金斯认为：假如在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁

的引力作用下，铁球会沿斜面对上运动，当球运动到尸孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返

回到0，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，到严处又漏下……o

对于这个设计，下列推断中正确的是（）

A.满意能量守恒定律，所以可行

B.不满意热力学其次定律，所以不行行

C.不满意机械能守恒定律，所以不行行

D.不满意能量守恒定律，所以不行行

答案D

解析该设计违反了能量守恒定律，故不行行，A、B、C错误，D正确。

10.（热力学其次定律的应用）图中汽缸内盛有肯定质量的志向气体，汽缸壁是导热的，

缸外环境保持恒温，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。若已知志向气体的内能只与温度有

关，则下列说法正确的是（）

恒温

A.气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程节反热力学其次定律

B.气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学其次定律

C.气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不近反热力学其次定律

D.以上三种说法都不对

答案C

解析“汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温”说明气体内能不变，因此汲取的热量全

部用来做功，但这并不违反热力学其次定律，因为有杆对外做功。C正确。

11.（综合）（多选）如图为电冰箱的工作原理示意图。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汲取箱体内的热量，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（）

干燥过滤器

压缩机

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够不断地把冰箱内的热量传到外界.是因为其消耗了电能

C.电冰箱的工作原理不违反热力学其次定律

D.电冰箱的工作原理违反热力学第肯定律

答案BC

解析电冰箱能够从低温物体汲取热量，是因为电流做了功，消耗了电能，它不违反热

力学第肯定律，也不违反热力学其次定律。故B、C正确，A、D错误。

12.（热力学其次定律的应用）（多选）下列宏观过程能用热力学其次定律说明的是（）

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