3.4熱力學第二定律

3.4熱力學第二定律知識點一、熱力學第二定律1．定義：在物理學中，反映宏觀自然過程的方向性的定律．2．熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體．闡述的是傳熱的方向性．3．熱力學第二定律的開爾文表述：(1)熱機①熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質(zhì)的內(nèi)能；第二個階段是工作物質(zhì)對外做功，把自己的內(nèi)能變成機械能．②熱機用于做功的熱量一定小于它從高溫熱庫吸收的熱量，即W<Q.(2)熱力學第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響．(該表述闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)．4．熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的．(選填“等價”或“不等價”)知識點二、能源是有限的1．能源：具有高品質(zhì)的容易利用的儲能物質(zhì)．2．能量耗散：使用的能源轉(zhuǎn)化成內(nèi)能分散在環(huán)境中不能自動聚集起來驅(qū)動機器做功，這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”．3．能源的使用過程中雖然能的總量保持不變，但能量的品質(zhì)下降了，能源減少了．自然過程的方向性(1)熱傳導(dǎo)具有方向性兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而低溫物體不可能自發(fā)地將熱量傳給高溫物體，要實現(xiàn)低溫物體向高溫物體傳遞熱量，必須借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其他影響或引起其他變化．(2)氣體的擴散現(xiàn)象具有方向性兩種不同的氣體可以自發(fā)地進入對方，最后成為均勻的混合氣體，但這種均勻的混合氣體，決不會自發(fā)地分開，成為兩種不同的氣體．(3)機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性物體在地面上運動，因摩擦而逐漸停止下來，但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后，在地面上重新運動起來．(4)氣體向真空膨脹具有方向性氣體可自發(fā)地向真空容器內(nèi)膨脹，但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出，使容器內(nèi)變?yōu)檎婵眨?．在熱力學第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”“單一熱庫”“不可能”的含義(1)“自發(fā)地”是指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性．在傳遞過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體提供能量等．(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響．如吸熱、放熱、做功等．(3)“單一熱庫”：指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)．若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構(gòu)成機器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功．據(jù)報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電．(4)“不可能”：實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫以外，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何的辦法都不可能加以消除．熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較1．兩定律的比較熱力學第一定律熱力學第二定律區(qū)別是能量守恒定律在熱力學中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程、化學過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)，從而否定了第二類永動機聯(lián)系兩定律分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律，二者既相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎(chǔ)2.兩類永動機的比較第一類永動機第二類永動機設(shè)計要求不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很少的能量啟動后，可以永遠運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱庫，實現(xiàn)內(nèi)能向機械能的轉(zhuǎn)化)不可能制成的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學第二定律（2023春?虹口區(qū)校級期末）某校中學生為參加電視臺《異想天開》節(jié)目，提出了下列四個設(shè)想方案，從理論上講可行的是（）A．制作一個裝置從海水中吸收內(nèi)能全部用來做功 B．制作一種制冷設(shè)備，使溫度降至絕對零度以下 C．汽車尾氣中各類有害氣體排入大氣后嚴重污染了空氣，想辦法使它們自發(fā)分離，既清潔了空氣，又變廢為寶 D．將屋頂蓋上太陽能板，可直接用太陽能來解決照明和熱水問題【解答】解：A．根據(jù)熱力學第二定律開爾文表述可知：不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。因此從海水中吸收內(nèi)能全部用來做功而不產(chǎn)生其它影響是不可能實現(xiàn)的，故A錯誤；B．絕對零度是不可能達到的，故B錯誤；C．根據(jù)熵增加原理可知，混合氣體不會自發(fā)分離變得有序，只能變得更為無序更混亂，故C錯誤；D．利用太陽能最有前途的領(lǐng)域是通過太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能再加以利用，故D正確。故選：D。（2023?天津模擬）如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸。待氣體達到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個系統(tǒng)不漏氣。下列說法錯誤的是（）A．氣體自發(fā)擴散前后內(nèi)能相同 B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大 C．在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界做功 D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功【解答】解：AC、抽開隔板時，由于右方是真空，氣體做自由擴散，右方是真空，氣體沒有對外做功，又沒有熱傳遞，則根據(jù)ΔU＝Q+W可知，氣體的內(nèi)能不變，故A正確，C錯誤；BD、氣體被壓縮的過程中，外界對氣體做功，根據(jù)ΔU＝Q+W可知，氣體內(nèi)能增大，故BD正確。本題選擇錯誤的，故選：C。（2023春?呂梁期末）下列說法正確的是（）A．當分子力表現(xiàn)為斥力時，分子力和分子勢能總是隨分子間距離的減小而增大 B．當把盛放氣體的容器放在加速運動的小車上時，氣體的內(nèi)能增大 C．第二類永動機雖然不違反能量守恒定律，但違反熱力學第一定律 D．晶體有固定的熔點，有確定的幾何形狀，物理性質(zhì)一定具有各向異性【解答】解：A、當分子力表現(xiàn)為斥力時，分子力隨分子間距離的減小而增大。分子力做負功，分子勢能也增大，故A正確；B、物體的內(nèi)能與物體的體積、溫度和物質(zhì)的量有關(guān)，與物體的宏觀運動無關(guān)，而體積、溫度和物質(zhì)的量都沒有改變，所以內(nèi)能不變，故B錯誤；C、熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的一種具體表現(xiàn)形式，第二類永動機雖然不違反能量守恒定律，但違反熱力學第二定律，故C錯誤；D、晶體分為單晶體和多晶體，晶體都有固定熔點，單晶體具有規(guī)則的幾何外形和物理性質(zhì)的各向異性，多晶體的物理性質(zhì)各向同性，沒有固定的幾何形狀，故D錯誤。故選：A。（2023春?大余縣期末）關(guān)于熱現(xiàn)象和熱學規(guī)律，下列說法中正確的是（）A．只要知道氣體的摩爾體積和阿伏加德羅常數(shù)，就可以計算出氣體分子的體積 B．懸浮在液體中的固體顆粒越大，布朗運動就越明顯 C．一定質(zhì)量理想氣體，保持氣體的壓強不變，溫度越高，體積越大 D．第二類永動機不可能制成是因為它違反了能量守恒定律【解答】解：A、由于氣體分子間距較大，根據(jù)氣體的摩爾體積和阿伏加德羅常數(shù)能算出每個氣體分子占據(jù)的空間大小，該空間大小比氣體分子的體積大的多，不能算出氣體分子的體積。故A錯誤；B、懸浮在液體中的固體微粒越小，液體分子與固體顆粒碰撞的不平衡性越明顯，布朗運動就越明顯，故B錯誤；C、一定質(zhì)量的理想氣體，保持氣體的壓強不變，根據(jù)蓋﹣呂薩克定律，溫度越高，體積越大，故C正確；D、第二類永動機不可能制成是因為它違反了熱力學第二定律，沒有違反能量守恒定律，故D錯誤故選：C。（2023春?遼陽期末）電冰箱由壓縮機、冷凝器、毛細管、蒸發(fā)器四個部分組成一個密閉的連通系統(tǒng)，制冷劑在連通系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流經(jīng)這四個部分。各部分的溫度和壓強如圖所示，則下列說法正確的是（）A．制冷劑在蒸發(fā)器中的狀態(tài)可以看成理想氣體 B．該過程實現(xiàn)了熱量從低溫物體向高溫物體傳遞，符合熱力學第二定律 C．冷凝器向環(huán)境散失的熱量可能小于蒸發(fā)器從冰箱內(nèi)吸收的熱量 D．制冷劑在通過冷凝器的過程中分子勢能和分子動能都增大【解答】解：A、制冷劑在蒸發(fā)器中雖然是氣體狀態(tài)，但不滿足遠離液化的狀態(tài)，所以不能看成理想氣體，故A錯誤；B、該過程實現(xiàn)了熱量從低溫物體向高溫物體傳遞，因為消耗了能量，符合熱力學第二定律，故B正確；C、由于壓縮機要做功，所以冷凝器向環(huán)境散失的熱量大于蒸發(fā)器從冰箱內(nèi)吸收的熱量，故C錯誤；D、溫度是分子平均動能的標志。在冷凝器中制冷劑溫度降低，分子平均動能降低，分子間距從氣體過渡到液體，分子勢能降低，故D錯誤。故選：B。（2023春?六盤水期末）根據(jù)熱力學定律，下列說法正確的是（）A．氣體被緩慢壓縮時，內(nèi)能可能不變 B．對能源的過渡消耗使自然界的能量不斷減少，形成“能源危機” C．一定質(zhì)量的理想氣體，在壓強減小、體積增大時，一定從外界吸收熱量 D．一定質(zhì)量的理想氣體，在溫度降低、體積增大時，一定從外界吸收熱量【解答】解：A．根據(jù)所學知識可知，改變內(nèi)能的方法有熱傳遞和做功，氣體被緩慢壓縮時，如果同時對外放熱，氣體內(nèi)能可能不變，故A正確；B．能源有可利用能源和不可利用能源之分，總能量保持不變，所以我們?nèi)匀粦?yīng)該節(jié)約使用的是可利用能源，故B錯誤；C．由一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)方程PVT=C可知一定質(zhì)量的理想氣體，在壓強減小、體積增大時，氣體溫度的變化無法判斷，因此無法判斷氣體內(nèi)能的變化，無法確定氣體與外界的熱傳遞情況，故D．一定質(zhì)量的理想氣體，在溫度降低、體積增大時，氣體對外做功，氣體內(nèi)能減小，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q+W，根據(jù)題意無法分析出Q的正負，所以氣體吸熱放熱情況未知，故D錯誤。故選：A。（2023春?武漢期末）1827年，布朗作為英國植物學家，在花粉顆粒的水溶液中觀察到花粉不停頓的無規(guī)則運動．1905年，愛因斯坦根據(jù)擴散方程建立布朗運動的統(tǒng)計理論，從而使分子動理論的物理圖景為人們廣泛接受．關(guān)于分子動理論相關(guān)知識，下列說法中正確的是（）A．分子的擴散現(xiàn)象是可逆的 B．布朗運動證明組成固體小顆粒的分子在做無規(guī)則運動 C．花粉顆粒越小，無規(guī)則運動越明顯 D．分子永不停息的無規(guī)則運動說明永動機是可以實現(xiàn)的【解答】解：A、根據(jù)熱力學第二定律，可知分子的擴散現(xiàn)象是不可逆的，故A錯誤；B、布朗運動是固體小顆粒的無規(guī)則運動，反映了液體分子在做無規(guī)則運動，故B錯誤；C、花粉顆粒越小，受到液體分子的撞擊越不均衡，花粉的無規(guī)則運動越明顯，故C正確；D、永動機違背了熱力學第二定律或能量守恒定律是不可以實現(xiàn)的，故D錯誤。故選：C。（2023春?廣州期末）如圖所示為家用電冰箱的工作原理簡化圖.壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)，在蒸發(fā)器中的制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外.下列說法正確的是（）A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外 B．電冰箱的工作原理違反熱力學第二定律 C．冷凝器中的制冷劑在液化過程中體積增大，內(nèi)能增加 D．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能【解答】解：A、由熱力學第二定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，除非有外界的影響或幫助，可知熱量不能夠自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外，故A錯誤；B、電冰箱把熱量從低溫物體傳到高溫物體，需要壓縮機的幫助并消耗了電能，即該過程不是自發(fā)進行，而是有外界的影響，可知電冰箱的工作原理不違反熱力學第二定律，故B錯誤；C、制冷劑遇冷放熱，然后液化，制冷劑向外放熱，內(nèi)能減小，故C錯誤；D、根據(jù)上述，電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，即該過程不是自發(fā)進行，而是有外界的影響，即是因為其消耗了電能，故D正確。故選：D。（2023春?石家莊期末）關(guān)于熱現(xiàn)象的解釋，下列說法正確的是（）A．布朗運動中，液體溫度越低、懸浮微粒越大，布朗運動越劇烈 B．空調(diào)制冷能夠使室內(nèi)溫度降低，說明熱量可以從低溫物體傳向高溫物體 C．將充滿氣的氣球壓扁時需要用力，這是由于氣體分子間存在斥力的緣故 D．液體表面層分子間的距離小于液體內(nèi)部分子間的距離，所以產(chǎn)生表面張力【解答】解：A、布朗運動中，液體溫度越高、懸浮微粒越小，布朗運動越劇烈，故A錯誤；B、空調(diào)制冷能夠使室內(nèi)溫度降低，說明熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，故B正確；C、將充滿氣的氣球壓扁時需要用力，這是由于氣體壓強的原因，故C錯誤；D、液體表面層分子間的距離大于液體內(nèi)部分子間的距離，所以產(chǎn)生表面張力，故D錯誤。故選：B。（2023?黃埔區(qū)校級三模）壓縮空氣儲能（CAES）是一種利用壓縮空氣來儲存能量的新型儲能技術(shù)，絕熱壓縮空氣儲能方式是壓縮空氣并將產(chǎn)生的熱能儲存在各種介質(zhì)當中，比如混凝土、石頭、礦洞礦石中等。需要發(fā)電的時候讓壓縮空氣推動發(fā)電機工作，這種方式能夠?qū)嚎s空氣儲能的效率提升。對于上述過程的理解，下列說法正確的是（）A．絕熱壓縮空氣，分子平均動能不變 B．絕熱壓縮空氣，溫度升高，氣體內(nèi)能一定增大 C．該方式能夠?qū)嚎s空氣儲能的效率提升到100% D．壓縮空氣推動發(fā)電機工作，是氣體對外做功，內(nèi)能增大【解答】解：AB．絕熱壓縮空氣前后，與外界無熱量交換，Q＝0，外界對氣體做功，W＞0，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W+Q，內(nèi)能增大，溫度升高，分子平均動能增大，故A錯誤，B正確；C．壓縮空氣儲能的過程涉及熱運動的能量轉(zhuǎn)換過程，根據(jù)熱力學第二定律可知，任何轉(zhuǎn)換過程效率都不可能達到100%，故C錯誤；D．壓縮空氣膨脹推動發(fā)電機工作，是氣體體積增大對外做功，W＜0，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W+Q可知，內(nèi)能減少，故D錯誤。故選：B。（2023?市中區(qū)校級二模）下列說法正確的是（）A．改進內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)，提高內(nèi)燃機內(nèi)能轉(zhuǎn)化率，最終可以實現(xiàn)內(nèi)燃機的效率為100% B．某固體在某物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性，該物體一定為非晶體 C．發(fā)生毛細現(xiàn)象時，細管中的液體可能上升也可能下降 D．擴散現(xiàn)象和布朗運動的實質(zhì)是相同的，都是分子的無規(guī)則運動【解答】解：A．根據(jù)熱力學第二定律，由于一定存在熱量損耗，內(nèi)燃機的效率不可能達到100%，故A錯誤；B．多晶體和非晶體都有各向同性的特點，故B錯誤；C．發(fā)生毛細現(xiàn)象時，浸潤液體在細管中上升，不浸潤液體在細管中下降，故C正確；D．擴散現(xiàn)象是分子的無規(guī)則運動，布朗運動是懸浮在液體中的固體小顆粒的無規(guī)則運動，間接反映了液體分子的無規(guī)則運動，故D錯誤。故選：C。（2023?荔灣區(qū)校級四模）火熱的6月即將到來，高三的同學們也進入高考最后的沖刺，教室里的空調(diào)為同學們提供了舒爽的環(huán)境，空調(diào)的工作原理如圖所示，以下表述正確的是（）A．空調(diào)的工作原理對應(yīng)的是熱力學第一定律的開爾文表述 B．空調(diào)的工作原理反映了熱傳導(dǎo)的方向性 C．此原理圖中的Q1＝Q2 D．此原理圖說明熱量不能從低溫物體傳到高溫物體【解答】解：A.空調(diào)的工作原理對應(yīng)的是熱力學第二定律的開爾文表述，故A錯誤；B.空調(diào)的工作原理反映了熱傳導(dǎo)的方向性，熱量不能自發(fā)的從低溫物體傳導(dǎo)給高溫物體，但在其他能力干預(yù)下，可以從低溫物體傳導(dǎo)給高溫物體，故B正確；C.此原理圖中的Q1＝Q2+W故C錯誤；D.此原理圖說明在外界干預(yù)下，熱量能從低溫物體傳到高溫物體，故D錯誤。故選：B。（2023?佛山二模）“奮斗號”潛水器2020年成功坐底馬里亞納海溝，標志著我國載人深潛技術(shù)已達世界領(lǐng)先水平?，F(xiàn)利用固定在潛水器體外的一個密閉氣缸做驗證性實驗：如圖，氣缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，輕質(zhì)導(dǎo)熱活塞可自由移動。在潛水器緩慢下潛的過程中，海水溫度逐漸降低，則此過程中理論上被封閉的氣體（）A．從外界吸熱 B．壓強與潛水器下潛的深度成正比 C．體積與潛水器下潛的深度成反比 D．單位時間內(nèi)氣體分子撞擊單位面積器壁的次數(shù)增多【解答】解：A、在潛水器緩慢下潛的過程中，氣體的壓強逐漸增大，體積逐漸減小，則外界對氣體做功，又因為海水溫度降低，所以氣體的溫度也降低，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q+W可知，Q＜0，即氣體向外界放熱，故A錯誤；BC、根據(jù)壓強的計算公式可得：p1+p0+ρgh所以壓強不與潛水器下潛的深度成正比，根據(jù)一定質(zhì)量的理想氣體的狀態(tài)方程pV＝nRT可知，氣體的溫度下降，壓強增大，無法分析出體積與潛水器下潛深度的關(guān)系，故BC錯誤；D、根據(jù)上述分析可知，因為氣體壓強增大，且溫度降低，則單位時間內(nèi)氣體分子撞擊單位面積器壁的次數(shù)增多，故D正確；故選：D。（2023?泉州模擬）2022年5月，我國首個商用壓縮空氣儲能電站投產(chǎn)發(fā)電。在用電低谷期，利用剩余的電力把洞外空氣壓縮到鹽礦開采后留下的密閉鹽穴礦洞中，儲存能量；在用電高峰期，將儲存