第12.3節(jié) 能量轉(zhuǎn)化的方向性（原卷版）

第十二章熱力學(xué)定律12.3能量轉(zhuǎn)化的方向性??目標(biāo)導(dǎo)航學(xué)問要點(diǎn)難易度1.自發(fā)過程的方向性：熱現(xiàn)象都是不行逆2.熱力學(xué)其次定律的克勞修斯表述和開爾文表述3.能量的耗散和品質(zhì)退降★

★★★★??學(xué)問精講一、熱力學(xué)其次定律1.自發(fā)過程的方向性(1)問題：在自然界發(fā)生的一切過程中能量都是守恒的，一個(gè)導(dǎo)致能量創(chuàng)生或消逝的過程是不行能消滅的。但符合能量守恒定律的宏觀過程都能自發(fā)地進(jìn)行嗎？(2)自發(fā)熱現(xiàn)象：熱傳遞：從高溫到低溫；氣體膨脹：體積由小到大集中：密度由密到疏；摩擦生熱：做功轉(zhuǎn)化為熱(3)凡是涉及熱現(xiàn)象的自發(fā)過程，都有特定的方向性。而相反的過程，即使不違反能量守恒定律，也不會(huì)自發(fā)地進(jìn)行。這就是說，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不行逆的。(4)本質(zhì)上，自發(fā)的熱現(xiàn)象是從有序到無(wú)序的過程。用熵來表示無(wú)序程度，即熱現(xiàn)象過程都是熵增加的過程。2.熱力學(xué)其次定律內(nèi)容反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學(xué)其次定律。(1)克勞修斯表述：不行能把熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化。制冷機(jī)工作原理Q1=Q2+WQ1：向高溫?zé)釒?kù)放出的熱量W：外界所做的功Q2：從低溫?zé)釒?kù)吸取的熱量克勞修斯表述闡述的是傳熱的方向性：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。強(qiáng)調(diào)了“在不引起其它的變化的條件下，熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體”要實(shí)現(xiàn)相反方向的過程，必需借助外界的做功，因而產(chǎn)生其它影響或引起其它變化。(2)開爾文表述：不行能從單一熱源吸取熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。熱機(jī)工作原理Q1=Q2+WQ1：從高溫?zé)釒?kù)吸取的熱量W：對(duì)外界所做的功Q2：向低溫?zé)釒?kù)散發(fā)的熱量機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無(wú)法全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。“不行能從單一熱庫(kù)吸取熱量”的意義：不僅要從一個(gè)熱庫(kù)吸熱，而且肯定會(huì)向另一個(gè)熱庫(kù)放熱。(3)其次類永動(dòng)機(jī)假如一臺(tái)熱機(jī)，效率為：，熱機(jī)從熱源吸取的熱量Q1全部變成功W，即Q2＝0，該機(jī)器唯一的結(jié)果就是從單一熱源吸取熱量全部變成功而不產(chǎn)生其它影響。此時(shí)熱機(jī)的效率η＝1(100%)。η＝1的熱機(jī)稱為其次類永動(dòng)機(jī)。開爾文表述也可以表述為：其次類永動(dòng)機(jī)是不行能制造成功的。(4)熱力學(xué)其次定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。這個(gè)規(guī)律是由大量分子無(wú)規(guī)章運(yùn)動(dòng)所具有的統(tǒng)計(jì)規(guī)律所打算的。熱力學(xué)其次定律只適用于大量分子構(gòu)成的系統(tǒng)，不適用于單個(gè)分子或少量分子構(gòu)成的系統(tǒng)。例1.推斷正誤。(1).隨著科技的進(jìn)步，全部符合能量守恒定律的宏觀過程都能發(fā)生。（）(2).一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是可逆的。（）(3).氣體向真空的自由膨脹是可逆的。（）(4).機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能無(wú)法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能且不產(chǎn)生其他影響。（）(5).機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是不行能的。（）(6).從單一熱源吸取的熱量全部變成功是不行能的。（）(7).肯定質(zhì)量的抱負(fù)氣體在等溫膨脹過程中吸取的熱量等于對(duì)外做的功，并不違反熱力學(xué)其次定律。（）(8).空調(diào)既能制熱也能制冷，說明熱量能夠從低溫物體傳到高溫物體。（）例2.(多選)下圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí)，使制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化，吸取箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時(shí)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.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是由于其消耗了電能C.電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)其次定律D.電冰箱的工作原理違反了熱力學(xué)其次定律二、能量的耗散和退降1.能量耗散：能量耗散是指其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終流散在四周環(huán)境中無(wú)法重新收集并加以利用的現(xiàn)象，能夠重新收集并加以利用的不能稱為能量耗散。例如，汽車行駛時(shí)，汽油在汽缸中燃燒，高溫氣體的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)汽車行駛的機(jī)械能，但同時(shí)，另一部分內(nèi)能被汽車排氣管排出的廢氣帶走，這部分內(nèi)能就很難再被利用，即能量耗散。機(jī)械運(yùn)動(dòng)總伴隨摩擦力，克服摩擦力產(chǎn)生內(nèi)能，而這部分內(nèi)部也不能再被利用做功。因此，物理過程中，一部分其它形式能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而且不能再利用，都可稱為能量耗散。2.能量退降：指自然界發(fā)生的各種變化中，能量的總值雖然保持不變，但是能量可被利用的價(jià)值卻越來越小。例如，機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而不引起其他變化，但內(nèi)能卻不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化。所以，從機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能時(shí)能量退降，也稱能量品質(zhì)的退降。能量退降是自然界中的宏觀過程方向性的體現(xiàn)，是熱力學(xué)其次定律的必定結(jié)果。煤炭、石油、自然?氣等能源被利用時(shí)，由于能量退降，可被利用的價(jià)值削減，所以我們要節(jié)省能源。3.自然界的任何物理過程，比如，光能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，都同時(shí)發(fā)生能量的耗散和退降。例3.下列哪個(gè)現(xiàn)象屬于能量耗散()A.利用水流發(fā)電變成電能B.電能通過燈泡中的電阻絲轉(zhuǎn)化為光能C.電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能D.火爐把房子烤暖??鞏固練習(xí)~A組~1．（多選）下列說法正確的是（）A．可以從單一熱源吸取熱量，使之全部用來做功B．熱量不行能自發(fā)地從內(nèi)能少的物體傳到內(nèi)能多的物體C．隨著科技進(jìn)步，通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn)，可以使內(nèi)燃機(jī)的效率達(dá)到100%D．1kg、0℃的冰的內(nèi)能肯定比1kg、0℃的水的內(nèi)能少，但兩者分子平均動(dòng)能一樣大2.（多選）關(guān)于熱力學(xué)規(guī)律，下列說法正確的是()A．熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律從不同角度闡述了能量守恒定律B．肯定質(zhì)量的抱負(fù)氣體等溫壓縮，外界對(duì)氣體做正功，內(nèi)能肯定增加C．從微觀意義上講，熱力學(xué)其次定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律D．肯定質(zhì)量的抱負(fù)氣體放出熱量，則分子的平均動(dòng)能不肯定削減3．關(guān)于能源與可持續(xù)進(jìn)展，下列說法正確的是()A．籃球從空中落下，最終靜止在地面上，說明機(jī)械能消逝了B．大量使用自然?氣作燃料符合“低碳生活”理念C．隨著科技的進(jìn)展，永動(dòng)機(jī)是可以制成的D．在火力發(fā)電中，燃?xì)獾膬?nèi)能不行能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?．(多選)下列宏觀過程能用熱力學(xué)其次定律解釋的是（）A．大米和小米混合后小米能自發(fā)地填充到大米空隙中而經(jīng)過一段時(shí)間大米、小米不會(huì)自動(dòng)分開B．將一滴紅墨水滴入一杯清水中，會(huì)均勻集中到整杯水中，經(jīng)過一段時(shí)間，墨水和清水不會(huì)自動(dòng)分開C．冬季的夜晚，放在室外的物體隨氣溫的降低，內(nèi)能不會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而動(dòng)起來D．隨著節(jié)能減排措施的不斷完善，最終也不會(huì)使汽車熱機(jī)的效率達(dá)到100%5.電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，這說明白（）A．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體B．熱量不行以從低溫物體傳到高溫物體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6．2022年4月16日，“太空出差三人組”最終回家了，天宮一號(hào)是中國(guó)第一個(gè)空間試驗(yàn)室，航天員在完全失重的狀況下做試驗(yàn)，下列說法正確的有（）A．王亞平擠出的小水滴在天宮一號(hào)內(nèi)漂移，小水滴的運(yùn)動(dòng)是布朗運(yùn)動(dòng)B．完全失重的狀況下，密封瓶里的抱負(fù)氣體對(duì)容器壁沒有作用力C．密封瓶里的抱負(fù)氣體在等溫變化的過程中，內(nèi)能肯定不變D．完全失重的狀況下，熱量不行能從低溫物體傳遞到高溫物體7．下列現(xiàn)象中，符合能量轉(zhuǎn)化守恒定律但違反熱力學(xué)其次定律的是（）A．電冰箱通電后能把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外的高溫物體B．蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能C．人類開發(fā)了潮汐發(fā)電技術(shù)，所獲得的電能是由海水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化來的D．一杯熱茶自然放置，茶水會(huì)漸漸冷卻8．下列說法中正確的是（）A．第一類永動(dòng)機(jī)不行能制成的緣由是違反了熱力學(xué)第肯定律B．機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能是不行能的C．從單一熱源吸取的熱量全部變成功而不產(chǎn)生其他影響是不行能的D．其次類永動(dòng)機(jī)不行能制造成功的緣由是能量不會(huì)憑空產(chǎn)生9.（多選）我國(guó)航天員閑逛太空已成為現(xiàn)實(shí)。飛船在航天員出艙前先要“減壓”，在航天員從太空返回進(jìn)入航天器后要“升壓”，因此將此設(shè)施特地做成了飛船的一個(gè)艙，叫“氣閘艙”，其原理如圖所示。兩個(gè)相通的艙A、B間裝有閥門K。指令艙A中布滿氣體，氣閘艙B內(nèi)為真空，整個(gè)系統(tǒng)與外界沒有熱交換。打開閥門K后，A中的氣體進(jìn)入B中，最終達(dá)到平衡。若將此氣體近似看成抱負(fù)氣體，則()A．氣體體積膨脹，對(duì)外做功 B．氣體分子勢(shì)能減小，內(nèi)能增加C．氣體體積變大，溫度不變 D．B中氣體不行能自發(fā)地全部退回到A中10.（多選）下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)換過程的敘述，違反熱力學(xué)第肯定律的有_______，不違反熱力學(xué)第肯定律、但違反熱力學(xué)其次定律的有_______。（填正確答案標(biāo)號(hào)）A．汽車通過燃燒汽油獲得動(dòng)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(jī)工作時(shí)將從高溫?zé)嵩次〉臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功，而不產(chǎn)生其他影響D．冰箱的制冷機(jī)工作時(shí)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)11．禮花噴射器原理如圖、通過扣動(dòng)氣閥可釋放壓縮氣罐內(nèi)氣體產(chǎn)生沖擊，將紙管里填充的禮花彩條噴向高處，營(yíng)造氣氛。在噴出禮花彩條的過程中，罐內(nèi)氣體（）A．分子沖向紙管是分子做熱運(yùn)動(dòng) B．分子沖向紙管后能全部自發(fā)回到罐內(nèi)C．通過做功方式轉(zhuǎn)變自身的內(nèi)能 D．分子沖向紙管過程中速率均變大12．國(guó)家速滑館（又名“冰絲帶”）是北京2022年冬奧會(huì)冰上運(yùn)動(dòng)的主場(chǎng)館，為確保運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的順當(dāng)完成，需要對(duì)場(chǎng)館內(nèi)降溫。若將場(chǎng)館內(nèi)的空氣看成抱負(fù)氣體，已知降溫前場(chǎng)館內(nèi)、外的溫度均為，降溫后場(chǎng)館內(nèi)溫度為，該過程中場(chǎng)館內(nèi)氣體壓強(qiáng)不變。以下說法正確的是（）A．場(chǎng)館內(nèi)空氣分子平均動(dòng)能不變B．場(chǎng)館內(nèi)全部空氣分子的分子動(dòng)能都減小C．場(chǎng)館內(nèi)熱量是由場(chǎng)館內(nèi)自發(fā)傳遞到場(chǎng)館外的D．場(chǎng)館內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)空氣分子與冰面碰撞次數(shù)增多13．（多選）“綠水青山就是金山銀山”，下述做法能改善空氣質(zhì)量的是()A．以煤等燃料作為主要生活燃料B．利用太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫能等能源替代化石能源C．鼓舞私人購(gòu)買和使用一般汽車D．用純電動(dòng)汽車代替燃油汽車14.下列過程中可能發(fā)生的是()A.某種物質(zhì)從高溫?zé)嵩次?0kJ的熱量，全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而沒有產(chǎn)生其他任何影響B(tài).打開一高壓密閉容器，其內(nèi)氣體自發(fā)溢出后又自發(fā)跑進(jìn)去，恢復(fù)原狀C.利用一些手段，使低溫物體溫度更低，高溫物體的溫度更高D.將兩瓶不同液體混合，待集中后它們又自發(fā)地完全分開~B組~15.(多選)用兩種不同的金屬絲組成一個(gè)回路，接觸點(diǎn)1插在熱水中，接觸點(diǎn)2插在冷水中，如圖所示，電流計(jì)指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象。關(guān)于這一現(xiàn)象，正確的說法是()A.這一試驗(yàn)過程不違反熱力學(xué)其次定律B.在試驗(yàn)過程中，熱水肯定降溫，冷水肯定升溫C.在試驗(yàn)過程中，熱水內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能，電能則部分轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能D.在試驗(yàn)過程中，熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能，電能則全部轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能16.下列說法正確的是()A.對(duì)物體做功不行能使物體的溫度上升B.一個(gè)由不導(dǎo)熱的材料做成的容器，被不導(dǎo)熱的隔板分成甲、乙兩室，甲室中裝有肯定質(zhì)量的溫度為T的氣體，乙室為真空，如圖所示，提起隔板，讓甲室中的氣體進(jìn)入乙室，若氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則提起隔板后當(dāng)氣體重新達(dá)到平衡時(shí)，其溫度仍為TC.空調(diào)作為制冷機(jī)使用時(shí)，將熱量從溫度較低的室內(nèi)送到溫度較高的室外，所以空調(diào)的工作是不遵循熱力學(xué)其次定律的D.從單一熱源吸取熱量，使之全部變成有用的機(jī)械能是不行能的17．（多選）如圖所示，為電冰箱的工作原理示意圖；壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)，在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸取箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時(shí)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．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是由于其消耗了電能C．電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第肯定律D．電冰箱除了將熱量從低溫?zé)釒?kù)傳到高溫?zé)釒?kù)外，工作過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，無(wú)論用任何方法都不行能加以消退18．“二氧化碳跨臨界直冷制冰”是北京冬奧會(huì)的“中國(guó)方案”，圖中國(guó)家速滑館5000m2的冰而全由它制成，冰面溫差可把握在±0.5°C以內(nèi)。其制冰過程可簡(jiǎn)化為圖中的循環(huán)過程，其中橫軸為溫度T，縱軸為壓強(qiáng)p；過程A→B：肯定量的二氧化碳在壓縮機(jī)的作用下變