2018－2019学年高中物理 第三章 热力学第一定律 第四节 热力学第二定律讲义（含解析）粤教版选修3-3.doc

热力学第二定律1自然界发生的过程一定遵守热力学第一定律，但遵守热力学第一定律的过程不一定能发生，因为它不能说明自然界过程进行的方向，热力学第二定律就是反映自然界过程进行方向和条件的定律。2热传导过程中，热量会自发地从高温物体传递给低温物体，但人们从来没有发现热量自发地从低温物体传给高温物体，这说明热传导过程具有方向性，要想使热量从低温物体传给高温物体，必须借助外界的作用。3机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能转化为内能是可以自发进行的，而相反过程不能自发进行，要将内能全部转化为机械能，必然会引起其他影响。4第二类永动机不可能制成，它是指从单一热源吸热全部用来对外做功又不引起其他变化，把得到的内能全部转化为机械能，效率达到100%的热机。5热力学第二定律常见的有两种表述，克劳修斯的表述是按照热传导的方向性表述的，开尔文的表述是按照机械能与内能转化过程的方向性表述的，两种表述是等价的。6从微观看，热力学第二定律表明：与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向，即熵增大的方向进行的。 热力学第二定律1热力学第二定律的概念反映自然界过程进行方向和条件的定律。2自然过程的方向性(1)热传导：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)机械能和内能的转化过程：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。要想将内能全部转化为机械能，必然会引起其他影响。(3)气体的扩散现象：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，成为两种不同的气体，除非使用物理或化学手段，但这必然要引起其他的变化。(4)气体向真空的膨胀：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。若借助于抽气机就能实现，但要引起其他变化。(5)在整个自然界中，无论是有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都有方向性，都是一种不可逆过程。3第二类永动机(1)定义：从单一热源吸热全部用来做功，而不引起其他变化，把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达100%。这种想象中的热机称为第二类永动机。(2)第二类永动机不可能制成的原因尽管这类永动机不违反热力学第一定律，也不违反能量守恒定律，但由于内能全部转化为机械能不能自发地进行，所以由单一热源吸热把内能全部转化为机械能而不引起其他变化的这类永动机是不可能造成的。4热力学第二定律(1)两种表述：克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传递到高温物体，或表述为，不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。即热传导的过程具有方向性。开尔文表述：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。即机械能与内能的转化具有方向性。(2)对热力学第二定律的理解：两种表述的等效性。如图所示，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(冷凝器或大气)如果热量能自发地从低温热源传到高温热源，即违背热力学第二定律的克劳修斯表述，那么就可以把高温热源排放给低温热源的那部分热量传到高温热源中，这样热机就能从单一热源吸收热量，使之完全变成有用功，而不产生其他影响，即违反了热力学第二定律的开尔文表述。热力学第二定律的实质。揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如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，进一步揭示了各种物质运动形式的转化过程都具有方向性。告诫人们：第二类永动机不可能制成。热力学第二定律有多种表述形式。定律中几个关键词的理解。“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。“不引起其他变化”的含义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热源吸收热量全部用来做功，不须通过第三者的帮助。这里的帮助是指提供能量等方式。“不可能”既包括从单一热源吸收热量全部用来对外做功、热量从低温热源传到高温热源，也包括过程产生的其他变化，即不论用任何手段都不可能消除其他变化。(1)热机工作对外做功时，必须有两个热源，即高温热源和低温热源，低温热源中的物质总带走一部分热量，因此，无论如何热机的效率不可能达到100%。(2)热力学第一定律说明了功、热量与内能改变的定量关系，是能量守恒的特殊形式，而第二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，两者相互独立、相互补充，都是热力学的理论基础。1热力学定律表明自然界中进行的热现象的宏观过程()A有的只遵守热力学第一定律B有的只遵守热力学第二定律C有的既不遵守热力学第一定律，也不遵守热力学第二定律D所有的都遵守热力学第一、第二定律解析：选D热力学第一、第二定律是热力学的基本定律，对所有涉及热现象的宏观过程都成立，D对，A、B、C错。热力学第二定律的微观实质熵1热力学第二定律的微观理解(1)有序和无序：确定某种规则后，符合这个规则的就是有序的，不符合这个规则和要求的分布就是无序的，无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则正好相反，有序和无序是相对的。(2)热力学第二定律的微观解释：系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化。从微观看，在通过做功使系统内能增加的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程，但其逆过程却不能自发地进行，即不可能由大量分子无规则的热运动自发转变为有序运动。高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体。所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高了。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低了。所以从宏观热现象角度来看，热传导具有方向性，达到热平衡后，物体内部分子热运动剧烈程度趋向一致，原来那种分子按动能大小有序分布的状态变为所有分子相同的无序状态，因此，系统的无序性增加了。(3)热力学第二定律的微观实质：与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的。2熵(1)熵的物理意义：熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样。系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大。(2)热力学系统中熵的变化：系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少。从熵的意义上来说，系统自发变化时，总是向着熵增加的方向进行，不会使熵减小。(1)任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。(2)不要认为熵总在增大，一个孤立系统在由一个状态变化到另一个状态的过程中，总熵不会减小，在自发地不可逆过程中熵增加，若过程可逆，熵是不变的。2下列关于熵的说法中错误的是()A熵是系统内分子运动无序性的量度B在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的C热力学第二定律也叫做熵减小原理D熵值越大代表越无序解析：选C一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义。系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程。自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理。因此A、B、D说法正确，C说法错误。热力学第二定律的应用例1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正确的是()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进，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地进行D外界对物体做功，物体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%，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UWQ可知，W0，U不一定大于0，即内能不一定增加，D错。答案A借题发挥解答这类问题要注意以下三点：(1)注意热力学第二定律的克劳修斯及开尔文表述的完整性，不能断章取义。(2)热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系。(3)内能改变的两种方式。热力学第二定律的微观实质例2多选关于热力学第二定律的微观实质，下列说法正确的是()A大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程C热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的状态向无序程度大的运动状态转化的过程D一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行解析分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程。C、D项正确。答案CD借题发挥热力学第二定律的实质是自然界中进行的涉及热现象的宏观过程具有方向性。热力学第二定律是一个统计规律：自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向即熵增大的方向进行。1下列说法中，正确的是()A一切形式的能量间的相互转化都具有方向性B热量不可能由低温物体传给高温物体C气体的扩散过程具有方向性D一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性解析：选C热力学第二定律反映的所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、D错；热量不是不能从低温物体传给高温物体，关键是能否还产生其他影响，B错；气体扩散过程具有方向性，C对。2我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度可以把内能自发地转化为机械能，使这个物体运动起来，其原因是()A违反了能量守恒定律B在任何条件下热能都不可能转化成机械能，只有机械能才能转化成热能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以上说法均不正确解析：选C机械能和内能的转化具有方向性，内能转化为机械能必须通过做功来实现，故C正确。3多选 关于热传导的方向性，下列说法中正确的是()A热量能自发地从高温物体传给低温物体B热量能自发地从低温物体传给高温物体C在一定条件下，热量也可从低温物体传给高温物体D热量一定不能从低温物体传给高温物体解析：选AC热量可自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体。热量要从低温物体传给高温物体，必须借助外界的作用。B、D错误，A、C正确。4根据热力学第二定律，下列判断错误的是()A电流的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 解析：选A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，电流的能可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能。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。5多选(2016全国卷)关于热力学定律，下列说法正确的是()A气体吸热后温度一定升高B对气体做功可以改变其内能C理想气体等压膨胀过程一定放热D热量不可能自发地从低温物体传到高温物体E如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡解析：选BDE根据热力学定律，气体吸热后如果对外做功，则温度不一定升高，说法A错误。改变物体内能的方式有做功和传热，对气体做功可以改变其内能，说法B正确。理想气体等压膨胀对外做功，根据恒量知，膨胀过程一定吸热，说法C错误。根据热力学第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，说法D正确。两个系统达到热平衡时，温度相等，如果这两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，说法E正确。6多选下面关于热力学第二定律微观的说法正确的是()A从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律B一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行C有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行D在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小解析：选AD一切自然过程总是向着无序性增大(熵增大)的方向进行，故选项A、D正确。7多选如图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，使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第一定律D电冰箱的工作原理违反热力学第一定律解析：选BC热力学第一定律适用于所有的热学过程，C正确，D错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功，A错误，B正确。8如图所示气缸内盛有定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒定，活塞与气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()A气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，所以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以上三种说法都不正确解析：选C外界温度均匀且恒定，符合单一热源的观念；又气体温度没有变化，内能没有变化，则吸收的热能的全部用来做功。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。9根据热力学定律，下列判断正确的是()A我们可以把火炉散失到周围环境中的能量全部收集到火炉中再次用来取暖B利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的C制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气，而不引起其他变化D满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行解析：选B热量不能自发地从低温物体传到高温物体，所以说不能把散失的能量全部收集起来，A错误；根据热力学第二定律，可知B正确；热量从低温物体传给高温物体时要发生其他变化，C错误；只满足能量守恒定律但不满足热力学第二定律的过程也不可以发生，D错误。10多选关于热力学定律，下列说法正确的是()A为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D不可能使热量从低温物体传向高温物体解析：选AC做功和热传递是改变内能的两种方式，故选项A正确；由热力学第一定律可知，当物体和外界发生热传递时，虽对物体做功，但内能可能减小，故选项B错误；由热力学第二定律可知，C正确，D错误。11.用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况。解析：温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，不违反热力学第二定律。答案：不违反。热水温度降低，冷水温度升高。转化效率低于100%。12某台汽油内燃机工作时，每小时消耗燃料m(kg)，该燃料的燃烧值为Q0(kJ/kg)，而燃料燃烧时只有70%热量传给了工作物质混合气体。该汽油内燃机因此而获得机械能为P(kW)。求这台热机的效率。解析：每小时消耗燃料m(kg)，放出的热量为Q1mQ0103mQ0(J)，传给工作物质的热量为Q2Q170%700mQ0(J)，其中转化的机械能为WPt3.6103P(J)，这台热机的效率100%。答案：100%