2027高考物理复习选择性必修三第4节　热力学第二定律

第4节热力学第二定律学习目标1．知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。具有方向性的过程是不可逆的。2.理解热力学第二定律的两种表述。3.学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题。课前知识梳理PART01第一部分一、热力学第二定律1．传热的方向性(1)热量可以自发地由____物体传到____物体。(2)热量不能自发地由____物体传到____物体。(3)传热过程是有______的。2．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从____物体传到____物体。(该表述阐述的是传热的方向性)高温低温低温高温方向性低温高温3．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______变成工作物质的____；第二个阶段是工作物质对外____，把自己的内能变成______。(2)热机的效率：热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分要排放给低温热库，即W＜Q。4．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__________，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)注意：热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是____的。化学能内能做功机械能完全变成功等价二、能源是有限的1．能量耗散：能量在____上虽然守恒，但其转移和转化却具有______。在各种各样的活动中，其他形式的能最终都转化成____流散到__________中，再也不能自动聚集起来驱动机器做功了，这种转化过程叫作能量耗散。2．能量品质降低：机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要__。所谓能源，其实是指具有高品质的容易利用的储能物质。能源的使用过程中虽然能的总量________，但能量的____下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。数量方向性内能周围的环境高保持守恒品质三、熵与熵增加原理1．熵可用来表达一个系统的________，系统从有序向无序的发展过程中熵在____。2．在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。在____过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。3．自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。无序程度增加自发判断下列说法是否正确。(1)热量不能由低温物体传给高温物体。(

)(2)科技发达后，热机的效率可以达到100%。(

)(3)机械能可以全部转化为内能，而内能不能自发地全部转化为机械能。(

)(4)能量耗散不遵循能量守恒定律。(

)(5)能量耗散会导致能量品质降低。(

)(6)为了可持续发展，必须节约能源。(

)√×

×

×

√√课堂深度探究PART02第二部分知识点一热力学第二定律1．自然过程的方向性(1)传热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，因而会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，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体。(3)机械能和内能的转化过程具有方向性物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停下来，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)气体向真空中的膨胀具有方向性气体可自发地向真空容器中膨胀，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．热机(1)热机：把内能转化成机械能的一种装置。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库吸收热量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。根据能量守恒有Q1＝W＋Q2。

(1)热机必须有热源和冷凝器。(2)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。3．两类永动机的比较比较项目第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量，可以不断地做功(或只给予很少的能量启动后，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(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)不可能制成的原因违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律角度1热力学第二定律的理解(多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(

)A．功转变为热的实际宏观过程是不可逆的B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可以实现的C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行D．一切物理过程都不可能自发地进行√√[解析]热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律，功转变为热的实际宏观过程是不可逆的，由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行，A、C正确，D错误；由热力学第二定律可知，并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现，B错误。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是光滑的，但不漏气，现通过活塞杆使活塞缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(

)A．气体是从单一热源吸热，并全部用来对外做功，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，但并未全部用来对外做功，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，并全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律D．气体不是从单一热源吸热，且并未全部用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律√[解析]汽缸壁是导热的，外界环境温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功才能保证内能不变，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能发生。角度2热力学定律的理解和应用(2025·河北廊坊市部分高中期末)下列有关热学现象的说法正确的是(

)A．双手互相摩擦发热的现象是用传热的方法来改变物体内能的B．在散热的条件下被压缩的气体内能一定增加C．第二类永动机不违反热力学第二定律，只违反热力学第一定律D．宏观与热现象有关的自发的物理过程都是不可逆的√[解析]双手互相摩擦发热的现象是用做功的方法来改变物体内能的，A错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，在散热的条件下，被压缩的气体内能不一定增加，B错误；第二类永动机不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律，C错误；宏观与热现象有关的自发的物理过程都是不可逆的，D正确。√角度3第二类永动机关于对永动机的认识，下列说法正确的是(

)A．随着科技的不断发展，永动机是可以制成的B．永动机指的是在摩擦力趋于零的条件下一直运动的机器，它不需要对外做功C．两类永动机的实质和工作原理是相同的，都是人们的美好设想，是永远不会实现的D．虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但仍不可制成[解析]第一类永动机违反了能量的转化与守恒，不可能实现，故A错误；永动机需要对外做功，故B错误；两类永动机的实质和工作原理是不相同的，故C错误；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，仍不可制成，D正确。知识点二能量耗散和品质降低1．能量耗散各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的，能量耗散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。2．能量品质的降低能量耗散虽然不会使能量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，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内能。内能较之机械能、电能、光能、核能等是一种低品质能量。国务院新闻办公室于2024年8月29日发布《中国的能源转型》白皮书，回顾了近十年来，中国坚定不移走绿色低碳的能源转型之路取得的显著成效，也制定了相关中长期发展规划。关于能源与可持续发展，下列说法正确的是(

)A．因为自然界的能量是守恒的，所以不会有能源危机B．能量耗散说明自然界的能量正在不断减少C．实现可持续发展，一方面要大力提倡多使用能源，另一方面要发展可再生能源以及天然气、核能等对生态环境的污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明D．水能为可再生能源，水电站是利用水能的重要形式√[解析]能源在利用的过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，可知，即使自然界的能量是守恒的，仍然会有能源危机，故A错误；能量耗散说明自然界便于人类利用的能量减少，但总能量仍然是守恒的，故B错误；实现可持续发展，一方面要大力提倡节能，而不是多使用能源，另一方面要发展可再生能源以及天然气、核能等对生态环境的污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明，故C错误；水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式，故D正确。(多选)如图是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量E0＝7×103J/(m2·s)。一台热水器的聚热面积为2m2，若每天相当于太阳直射热水器4h，太阳能的20%可转化为水的内能，则下列说法正确的是(

)A．只有20%的太阳能可转化为水的内能，说明能量不守恒B．太阳能可转化为水的内能，但水的内能不可转化为太阳能，说明能量转化具有方向性C．这台热水器一天内最多能利用的太阳能为4.032×107JD．这台热水器一天内最多能利用的太阳能为5.6×104J√√[解析]只有20%的太阳能可转化为水的内能，其余能量被耗散到空气中，能量是守恒的，故A错误；太阳能可转化为水的内能，但水的内能不可转化为太阳能，说明能量转化具有方向性，故B正确；根据题意，这台热水器一天内最多能利用的太阳能E＝E0×S×t×20%＝4.032×107J，故C正确，D错误。随堂巩固落实PART03第三部分√1．(热力学第二定律)如图所示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．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B．在封闭的房间里打开冰箱一段时间后，房间温度会降低C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律解析：由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故A错误；电冰箱工作时消耗电能，房间的总热量会增加，房间温度会升高，故B错误；电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律和第二定律，故C正确，D错误。√2．(热力学第二定律)(多选)下列关于热力学第二定律的说法正确的是(

)A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C．机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能D．气体向真空的自由膨胀是可逆的√解析：符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；根据热力学第二定律，机械能可以全部转化为内能，但在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能，C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误。3．(热力学第二定律)根据能量转化与转移的方向性，下列判断不正确的是(

)A