2024年高中物理新教材同步 選擇性必修第三冊 第3章 4 熱力學第二定律

4熱力學第二定律[學習目標]1.了解熱力學第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質(zhì)(重點)。2.能運用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移以及宏觀自然過程的方向性問題(難點)。3.理解能量耗散，知道能源是有限的。一、熱力學第二定律一滴黑色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變黑。從系統(tǒng)的角度來看，擴散之前是一種狀態(tài)，擴散后是另一種狀態(tài)。那么，水中擴散后的顏料能否自發(fā)地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？這說明了什么？答案不能，說明擴散有方向性。1．熱現(xiàn)象的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，即與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程有方向性。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(選填“等價”或“不等價”)的。5．熱力學第二定律的實質(zhì)：揭示了宏觀自然過程的方向性。如圖所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖，通過此圖思考以下問題：(1)制冷機工作時熱量是自發(fā)地從低溫熱庫傳到高溫熱庫嗎？(2)熱機工作時能否將從高溫熱庫吸收的熱量全部用于做功？答案(1)不是，熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫時需要有外界做功。(2)不能，熱機工作時只能將從高溫熱庫吸收熱量的一部分用來做功，剩余的部分釋放到低溫熱庫。(1)一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。(√)(2)機械能可以完全轉化為內(nèi)能，而內(nèi)能不可能完全轉化為機械能。(×)(3)熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳到高溫物體。(√)例1(多選)根據(jù)熱力學第二定律可知，下列說法中正確的是()A．不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化B．沒有冷凝器，只有單一的熱庫，能將從單一熱庫吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機是可以實現(xiàn)的C．不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化D．如果沒有摩擦、漏氣等，熱機效率可以達到100%答案AC解析熱力學第二定律揭示了與熱現(xiàn)象有關的物理過程的方向性，機械能和內(nèi)能的轉化過程具有方向性，機械能可以全部轉化為內(nèi)能，而內(nèi)能要全部轉化為機械能必須借助外部的幫助，即會引起其他變化，A選項正確，B選項錯誤；傳熱過程也具有方向性，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體，必然要引起其他變化(外界對系統(tǒng)做功)，C選項正確；熱機效率無法達到100%，D項錯誤。例2(2022·駐馬店市高二期末)下列過程中可能發(fā)生的是()A．某種物質(zhì)從高溫熱源吸收20kJ的熱量，全部轉化為機械能，而沒有產(chǎn)生其他影響B(tài)．打開一高壓密閉容器，其內(nèi)氣體自發(fā)逸出后又自發(fā)跑進去，恢復原狀C．利用其他手段，使低溫物體的溫度更低，高溫物體的溫度更高D．將兩瓶不同液體混合，然后它們又自發(fā)地各自分開答案C解析根據(jù)熱力學第二定律，熱量自發(fā)地全部轉化為機械能是不可能的，A錯誤；氣體膨脹具有方向性，不能自發(fā)逸出又自發(fā)跑進去，使其恢復原狀，B錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，熱量不可能從低溫物體自發(fā)地傳遞給高溫物體，而不引起其他的變化，但通過一些手段是可以實現(xiàn)的，C正確；擴散現(xiàn)象有方向性，因此混合后不能自發(fā)地各自分開，D錯誤。1．一切物理過程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理過程不一定均能實現(xiàn)。2．熱力學第二定律的兩種表述分別對應著一種“不可能”，但都有一個前提條件“自發(fā)地”或“不產(chǎn)生其他影響”，如果去掉這種前提條件，就都是有可能的。例如電冰箱的作用就是使熱量從低溫物體傳到高溫物體，等溫膨脹就是從單一熱庫吸收熱量，使之完全用來做功，但不是自發(fā)地或是產(chǎn)生了其他影響。二、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是關于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關的物理過程、化學過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結聯(lián)系兩定律分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關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2.兩類永動機的比較第一類永動機第二類永動機設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例3關于兩類永動機和熱力學兩大定律，下列說法正確的是()A．第二類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第一定律B．第一類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第二定律C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，傳熱也不一定改變內(nèi)能，但同時做功和傳熱一定會改變內(nèi)能D．由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫吸收熱量，完全變成功也是可能的答案D解析第一類永動機違背了能量守恒定律，第二類永動機違背了熱力學第二定律，A、B錯誤；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯誤；由熱力學第二定律可知選項D中的現(xiàn)象是可能的，但會產(chǎn)生其他影響，D正確。例4(2020·全國卷Ⅱ)下列關于能量轉換過程的敘述，違背熱力學第一定律的有________，不違背熱力學第一定律、但違背熱力學第二定律的有________。(填正確答案標號)A．汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱B．冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低C．某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，而不產(chǎn)生其他影響D．冰箱的制冷機工作時從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)答案BC解析A項符合熱力學第一、第二定律。冷水和杯子溫度不可能都變低，只能是一個升高一個降低，或溫度都不變，B項描述違背了熱力學第一定律。C項描述雖然不違背熱力學第一定律，但違背了熱力學第二定律。D項中冰箱消耗電能從而可以從低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)，不違背熱力學第二定律。三、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守恒，但能量的品質(zhì)下降了，能源減少了。1．流動的水帶動水磨做功，由于磨盤和糧食之間的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機械能轉變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到周圍的環(huán)境中，我們沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用。可見，內(nèi)能與機械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？答案內(nèi)能。2．答案能量是守恒的，但能量耗散卻導致能量品質(zhì)的降低，在利用它們的時候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉化為低品質(zhì)的能量。例5下列說法正確的是()A．人類在不斷地開發(fā)和利用新能源，所以能量可以被創(chuàng)造B．在能源的利用過程中，由于能量在數(shù)量上并未減少，所以不需要節(jié)約能源C．自然界中只要涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性D．能量耗散現(xiàn)象說明：在能量轉化的過程中，雖然能量的總量并不減少，但能量品質(zhì)提升了答案C解析根據(jù)能量守恒定律，能量是不能被創(chuàng)造的，選項A錯誤；在能源的利用過程中，雖然能量在數(shù)量上并未減少，但是能源的品質(zhì)在降低，所以還需要節(jié)約能源，選項B錯誤；根據(jù)熱力學第二定律可知，自然界中只要涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，選項C正確；能量耗散現(xiàn)象說明：在能量轉化的過程中，雖然能量的總量并不減少，但能量品質(zhì)降低了，選項D錯誤。能量與能源的區(qū)別1．能量是守恒的，既不會增加也不會減少。2．能源是能夠提供可利用能量的物質(zhì)。3．能量耗散，能量總量不變，但能量品質(zhì)會下降，即能源減少，故我們要節(jié)約能源。課時對點練考點一對熱力學第二定律的理解1．關于自然過程中的方向性，下列說法正確的是()A．摩擦生熱的過程是可逆的B．凡是符合能量守恒的過程一般都是可逆的C．涉及熱現(xiàn)象的宏觀自然過程都具有“單向性”或“不可逆性”D．空調(diào)機既能制冷又能制熱，說明傳熱不存在方向性答案C2．把水和酒精混合后，用蒸發(fā)的方式又可以分開，然后液化恢復到原來的狀態(tài)，這說明()A．擴散現(xiàn)象沒有方向B．將水和酒精分開時，引起了其他變化，故擴散具有方向性C．將水和酒精分開時，并沒有引起化學變化，故擴散現(xiàn)象沒有方向性D．用本題的實驗，無法說明擴散現(xiàn)象是否具有方向性答案B解析由題意可知，兩者混合時是自動發(fā)生的，但兩者分離時，要先加熱后冷卻，也就是說，向分離與向混合這兩個方向的發(fā)展是可以通過過程是否自動完成、是否需要外加其他手段才能完成來區(qū)分的，因此，可以證明擴散是有方向性的，B正確，A、C、D錯誤。3．A．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B．在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C．熱量的傳遞過程不具有方向性D．在自發(fā)的條件下熱量的傳遞過程具有方向性答案BD解析一切自發(fā)過程都有方向性，如傳熱，熱量總是由高溫物體自發(fā)地傳向低溫物體；在外界幫助下，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，電冰箱就是借助外界做功把熱量從低溫物體(冷凍食品)傳向高溫物體(周圍的大氣)。故B、D正確，A、C錯誤。4．(多選)若有人想制造一種使用于輪船上的機器，它從海水中吸熱全部轉變?yōu)楣?，而不產(chǎn)生其他影響，關于這種設想，下列說法正確的是()A．這種機器能造成B．這種機器不能造成C．這種機器違反了熱力學第一定律D．這種機器違反了熱力學第二定律答案BD解析這種機器從海水中吸熱全部轉變?yōu)楣Γ划a(chǎn)生其他影響，這相當于第二類永動機，第二類永動機不違反熱力學第一定律，但違反了熱力學第二定律，不能造成，故B、D正確。5．(2022·烏魯木齊第八中學高二期末)以下現(xiàn)象違背熱力學第二定律的是()A．一杯熱茶在打開蓋后，茶會自動變涼B．沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機，其效率可能是100%C．桶中渾濁的泥水靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離D．在地面上運動的物體逐漸停下來，機械能全部變?yōu)閮?nèi)能答案B解析熱茶自動變涼是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，不違背熱力學第二定律；任何熱機效率都不可能達到100%，違背熱力學第二定律；泥、水分離是機械能向內(nèi)能的轉化，不違背熱力學第二定律；物體因摩擦力而停下來，是機械能向內(nèi)能的轉化，是自發(fā)過程，不違背熱力學第二定律，故選B。6．(多選)關于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列說法正確的是()A．一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷一緩慢的絕熱膨脹過程，氣體的內(nèi)能減少B．氣體向真空的自由膨脹是不可逆的C．第一類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第二定律D．熱力學第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”答案AB解析一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷一緩慢的絕熱膨脹過程，Q＝0，W<0，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知，氣體的內(nèi)能減小，故A正確；熱力學第二定律表明：自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，是不可逆的，故氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，故B正確；第一類永動機不可能制成是因為違背了能量守恒定律，故C錯誤；熱力學第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化”，故D錯誤?？键c二能源與能量耗散7．(2022·江蘇高二學業(yè)考試)關于能量和能源，下列說法中正確的是()A．能量在轉化和轉移過程中，其總量有可能增加B．能量在轉化和轉移過程中，其總量會不斷減少C．能量在轉化和轉移過程中總量保持不變，故節(jié)約能源沒有必要D．能量的轉化和轉移具有方向性，且現(xiàn)有可利用的能源有限，故必須節(jié)約能源答案D解析能量在轉化和轉移過程中，總量是守恒的，但品質(zhì)降低了，且現(xiàn)有可利用的能源有限，故我們要注意節(jié)約能源，選項D正確。8．(2022·連云港市高二月考)熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。所謂能量耗散是指在能量轉化的過程中無法把散失的能量重新收集、加以利用。下列關于能量耗散的說法中正確的是()A．能量耗散說明能量守恒定律不正確B．能量耗散不符合熱力學第二定律C．能量耗散過程中能量不守恒D．能量耗散是從能量轉化的角度，反映出自然界中的宏觀過程具有方向性答案D解析能量耗散是指能量在轉化和轉移的過程中擴散到周圍環(huán)境中無法再收集起來，其滿足能量守恒定律，也符合熱力學第二定律，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了；能量耗散反應了涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，所以A、B、C錯誤，D正確。9.如圖所示，汽缸內(nèi)盛有一定質(zhì)量的理想氣體，汽缸壁是導熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸處是光滑的，但不漏氣?，F(xiàn)將活塞桿與外界連接并緩慢地向右移動，這樣氣A．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，因此此過程違反熱力學第二定律B．氣體是從單一熱源吸熱，但并未全用來對外做功，所以此過程不違反熱力學第二定律C．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但此過程不違反熱力學第二定律D．以上三種說法都不對答案C解析由于汽缸壁是導熱的，外界溫度不變，活塞桿與外界連接并使活塞緩慢地向右移動過程中，有足夠時間進行傳熱，汽缸內(nèi)的氣體溫度不變，即內(nèi)能不變。該過程氣體是從單一熱源即外部環(huán)境吸收熱量，全部用來對外做功并保證內(nèi)能不變，但此過程并不違反熱力學第二定律，這是因為此過程需要外力對活塞做功來維持，如果沒有外力對活塞做功，此過程不可能自發(fā)進行，故選項C正確。10.(2022·蘇州市高二期末)如圖所示，兩種不同的金屬組成一個回路，接觸頭1置于熱水杯中，接觸頭2置于冷水杯中，此時回路中電流計發(fā)生偏轉，這是溫差電現(xiàn)象，假設此過程電流做功為W，接觸頭1從熱水中吸收的熱量為Q1，冷水從接觸頭2吸收的熱量為Q2，根據(jù)熱力學第二定律可得()A．Q1＝W B．Q1>WC．Q1<Q2 D．Q1＋Q2＝W答案B解析根據(jù)熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸收熱量使之全部用來做功，而不產(chǎn)生其他影響；所以從熱水中吸收的熱量Q1應該大于電流做的功W，即Q1>W。根據(jù)能量守恒定律和熱力學第二定律，從熱水中吸收的熱量轉化成了兩部分，一部分是電能W，另一部分是冷水吸收的熱量Q2，故選B。11．(多選)(2022·湖南卷改編)利用“渦流效應”可實現(xiàn)冷熱氣體的分離。如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構成。高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉前進，分子熱運動速率較小的氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊緣部位。氣流到達分離擋板處時，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從A端流出，邊緣部位氣流從B端流出。下列說法正確的是()A．A端為冷端，B端為熱端B．A端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于B端流出的C．A端流出的氣體內(nèi)能一定大于B端流出的D．該裝置氣體進出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律答案AB解析依題意，中心部位為熱運動速率較低的氣體，與擋板作用后反彈，從A端流出，而邊緣部分為熱運動速率較高的氣體，從B端流出；同種氣體分子平均熱運動速率較大、其對應的溫度也就較高，所以A端為冷端、B端為熱端，故A正確。依題意