2024年高中物理新教材同步 选择性必修第三册 第3章 4 热力学第二定律

4热力学第二定律

［学习目标］1.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（重点）。2.能

运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题（难点）。

3.理解能量耗散，知道能源是有限的。

一、热力学第二定律

一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看，扩散之前是

一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而

其余部分又变成清水？这说明了什么？

答案不能，说明扩散有方向性。

1梳理与总结」

1.热现象的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是丕支逆的，即与热现象有关的宏

观自然过程有方向性。

2.热力学第二定律的克劳修斯表述：

热量不能巨龙地从低温物体传到高温物体。阐述的是传热的方囱性。

3.热力学第二定律的开尔文表述：

⑴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做功，把自己的内能变成机械能。

②热机用于做功的热量一定丕上它从高温热库吸收的热景，即W<QO

（2）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。（该表述阐述了机械能与内能转化的方向性）

4.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是笠位（选填“等价”或“不等价”）的。

5.热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的方向性。

「思考与讨论」

如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题:

高温热库高温热库

低温热库II低温热库

⑴制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？

⑵热机，作时能否将从高温热库吸收的热量全部用于做功？

答案（1）不是，热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。

⑵不能，热机工作时只能珞从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温

热库。

-辨析

（1）一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。（J）

⑵机械能可以完全转化为内能，而内能不可能完全转化为机械能。（X）

⑶热量不可能自发的从低温物体传到高温物体。（V）

mU（多选）根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是（）

A.不可能从单一热库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，只有单一的热库，能将从单一热库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.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

D.如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到100%

答案AC

解析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，

即会引起其他变化，A选项正确，B选项错误；传热过程也具有方向性，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），C选项正确；热机效率无法达到100%,D项错误。

【例2】（2022•驻马店市高二期末）下列过程中可能发生的是（）

A.某种物质从高温热源吸收20kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他影响

B.打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复:原状

C.利用其他手段，使低温物体的温度更低，高温物体的温度更高

D.将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开

答案C

解析根据热力学第二定律，热量自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误；气体膨胀

具有方向性，不能自发逸出又自发跑进去，使其恢复原状，B错误；根据热力学第二定律，

热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可

以实现的，C正确；扩散现象有方向性，因此混合后不能自发地各自分开，D错误。

■总结提升--------------------------------------------------------------------------

1.一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。

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。例如也冰箱的作用就是

使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全用来做功，

但不是自发地或是产生了其他影响。

二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较

1.两定律的比较

\热力学第一定律热力学第二定律

是能量守恒定律在热刀学中的表现，

区是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关

否定了创造能量和消灭能量的可能

别的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结

性

联两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，二者既相互独立，

系又相互补充，都是热刀学的理论基础

2.两类永动机的比较

第一类永动机第二类永动机

将内能全部转化为机械能，而不引起

不消耗任何能量，可以不断做功（或只给予

设计要求其他变化（或只有i个热库，实现内能

很少的能量启动后，可以永远运动下去）

向机械能的转化）

不可能制

违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律

成的原因

【例3】关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是（）

A.第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律

B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律

C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，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，从单一热库吸收热量，

完全变成功也是可能的

答案D

解析第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背了热力学第二定律，A、B错

误：由热力学第一定律可知WWO,QWO,但AU=W+Q可以等于0,C错误：由热力学第

二定律可知选项D中的现象是可能的，但会产生其他影响，D正确。

【例4】（2020•全国卷II）下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有,

不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有。（填正确答案标号）

A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热

B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低

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

解析A项符合热力学第一、第二定律。冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一

个降低，或温度都不变，B项描述违背了热力学第一定律。C项描述虽然不违背热力学第一

定律，但违背了热力学第二定律。D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发

到温度较高的室内，不违背热力学第二定律。

三、能源是有限的

1.能源：具有高品质的容易利用的储能物质。

2.能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起火驱动机器做功，这样的

转化过程叫作“能量耗散”。

3.能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了，能源减少了。

「思考与讨论」

1.流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高,

水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这

些流散的内能重新收集起来加以利用。可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？

答案内能。

2.如图所示是两幅宣传节约能源的图片。请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？

4约水电粮食,

珍惜能源点滴一

一落部益源

答案能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能

量释放出来并最终转化为低品质的能量。

【例5】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，虽然能量的总量并不减少，但能量品质提升

T

答案c

解析根据能量守恒定律，能量是不能被创造的，选项A错误；在能源的利用过程中，虽然

能量在数量上并未减少，但是能源的品质在降低，所以还需要节约能源，选项B错误：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：能

量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质降低了，选

项D错误。

■总结提升--------------------------------------------------------------------------

能量与能源的区别

I.能量是守恒的，既不会增加也不会减少。

2.能源是能够提供可利用能量的物质。

3.能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降，即能源减少，故我们要节约能源。

课时对点练

基础对点练

考点一对热力学第二定律的理解

1.关于自然过程中的方向性，下列说法正确的是（）

A.摩擦生热的过程是可逆的

B.凡是符合能量守恒的过程一般都是可逆的

C.涉及热现象的宏观自然过程都具有“单向性”或“不可逆性”

D.空调机既能制冷又能制热，说明传热不存在方向性

答案C

2.把水和酒精混合后，用蒸发的方式又可以分开，然后液化恢复到原来的状态，这说明（）

A.扩散现象没有方向

B.将水和酒精分开时，引起了其他变化，故扩散具有方向性

C.将水和酒精分开时，并没有引起化学变化，故扩散现象没有方向性

D.用本题的实验，无法说明扩散现象是否具有方向性

答案B

解析由题意可知，两者遇合时是自动发生的，但两者分离时，要先加热后冷却，也就是说，

向分离与向混合这两个方向的发展是可以通过过程是否自动完成、是否需要外加其他手段才

能完成来区分的，因此，可以证明扩散是有方向性的，B正确，A、C、D错误。

3.（多选）电冰箱能够不断地把热最从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气,这说明（）

A.热量能自发地从低温物体传给高温物体

B.在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体

C.热量的传递过程不具有方向性

D.在自发的条件下热量的传递过程具有方向性

答案BD

解析一切自发过程都有方向性，如传热，热量总是由高温物体自发地传向低温物体：在外

界帮助下，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体

（冷冻食品）传向高温物体（周围的大气）。故B、D正确，A、C错误。

4.（多选）若有人想制造一种使用于轮船上的机器，它从海水中吸热全部转变为功，而不产生

其他影响，关于这种设想，下列说法正确的是（）

A.这种机器能造成

B.这种机器不能造成

C.这种机器违反了热力学第一定律

D.这种机器违反了热力学第二定律

答案BD

解析这种机器从海水中吸热全部转变为功，而不产生其他影响，这相当于第二类永动机，

第二类永动机不违反热力学第一定律，但违反了热力学第二定律，不能造成，故B、D正确。

5.（2022・乌鲁木齐第八中学高二期末）以下现象违背热力学第二定律的是（）

A.一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉

B.没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100%

C.桶中浑浊的泥水静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离

D.在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为人能

答案B

解析热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体，不违背热力学第二定律；任何热机

效率都不可能达到100%,违背热力学第二定律：泥、水分离是机械能向内能的转化，不违

背热力学第二定律：物体因摩擦力而停下来，是机械能向内能的转化，是自发过程，不违背

热力学第二定律，故选B。

6.（多选）关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的是（）

A.一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减少

B.气体向真空的自由膨胀是不可逆的

C.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律

D.热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”

答案AB

解析一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，Q=0,W＜（）,根据AU=W+Q可

知，气体的内能减小，故A正确；热力学第二定律表明：自然界中进行的涉及热现象的宏观

过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确；第一类

永动机不可能制成是因为违背了能量守恒定律，故C错误；热力学第二定律可描述为“不可

能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变亿"，故D错误。

考点二能源与能量耗散

7.（2022.江苏高二学业考试）关于能量和能源，下列说法中正确的是（）

A.能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加

B.能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少

C.能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要

D.能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源

答案D

解析能量在转化和转移过程中，总量是守恒的，但品质降低了，且现有可利用的能源有限，

故我们要注意节约能源，选项D正确。

8.（2022・连云港市高二月考）热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是

指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法中

正确的是（）

A.能量耗散说明能量守恒定律不正确

B.能量耗散不符合热力学第二定律

C,能量耗散过程中能量不守恒

D.能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中的宏观过程具有方向性

答案D

解析能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来，其满足

能量守恒定律，也符合热力学第二定律，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低

了；能量耗散反应了涉及热现象的宏观过程都具有方向性，所以A、B、C错误，D正确。

能力综合练

9.如图所示，汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞

与汽缸壁的接触处是光滑的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接并缓慢地向右移动，这样气

体将等温膨胀并通过杆对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是

（）

恒温

11杆

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，所以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.以上三种说法都不对

答案C

解析由于汽缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使活塞缓慢地向右移动过

程中，有足够时间进行传热，汽缸内的气体温度不变，即内能不变。该过程气体是从单一热

源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功并保证内能不变，但此过程并不违反热力学第二

定律，这是因为此过程需要外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可

能自发进行，故选项C正确。

10.（2022•苏州市高二期末）如图所示，两种不同的金属组成一个回路，接触头1置于热水杯中，

接触头2置于冷水杯中，比时回路中电流计发生偏转，这是温差电现象，假设此过程电流做

功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q,冷水从接触头2吸收的热量为。2，根据热力

学第二定律可得（）

c.Qi<Q2D.Q^Q1=W

答案B

解析根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他

影响；所以从热水中吸收的热量Q应该大于电流做的功W,即0>W。根据能量守恒定律和

热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分是电能W,另一部分是冷水

吸收的热量。2,故选B。

11.（多选）（2022・湖南卷改编）利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体

分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流

入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将

聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流

到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从八端流出，边缘部位气流从8

端流出。下列说法正确的是（）

涡流室环形管分离挡板

A.A端为冷端，4端为热端

B.4端流出的气体分子热运动平均速率一定小于4端流出的

C.A端流出的气体内能一定大于8端流出的

D.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律

答案AB

解析依题意，中心部位为热运动速率较低的气体，与挡板作用