第三章 热力学定律\n4．热力学第二定律\n课前预习反馈课内互动探究课堂达标检测目标体系构建核心素养提升\n目标体系构建\n【学习目标】1．通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法。2．理解热力学第二定律的含义，能用其分析相关问题。3．了解能量与能源的区别以及能源的有限性。\n【思维脉络】\n课前预习反馈\n1．热力学第二定律的克劳修斯表述(1)内容：热量不能自发地从________物体传到________物体。即传热的过程具有__________。(2)传热的方向性①热量可以自发地由________物体传给________物体。②热量不能自发地由________物体传给________物体。③一切与热现象有关的宏观自然过程都是____________。说明：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入，就能发生。低温知识点1热力学第二定律高温方向性高温低温低温高温不可逆的\n2．热力学第二定律的另一种表述(1)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：热机输出的____________与燃料产生的__________的比值。用公式表示：η＝______。化学能内能做功机械能机械功W热量Q\n(2)开尔文表达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和开尔文表述是等价的。完全变成功\n1．能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为________，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。2．各种形式的能量向内能的转化，是无序程度________的状态向无序程度________的状态的转化，是能够________发生、全额发生的。3．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有________性。知识点2能源是有限的内能较小较大自动方向\n4．能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量_______的降低，它实际上是将能量从高度有用的__________形式降级为不大可用的__________形式。说明：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。品质高品质低品质\n思考辨析『判一判』(1)机械能可以完全转化为内能。()(2)内能不可能完全转化为机械能。()(3)能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。()(4)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。()(5)科技发达后，热机的效果可以达到100%。()(6)热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。()√×√××√\n『选一选』下列说法正确的是()A．热量不能从低温物体传到高温物体B．功可以完全变成热，热不能完全变成功C．改进热机的生产工艺，总有一天热机的效率可以达到100%D．气体向真空的自由膨胀是不可逆的解析：在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体，A错；在一定条件下热可以全部变成功，B错；热机的效率在任何条件下都不可能达到100%，C错；一切宏观自然过程的进行都具有方向性，D正确。D\n『想一想』成语“覆水难收”指的是一盆水泼出去后是不可能再倒回盆中的。请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度，解释为什么水不会自发地聚到盆中。\n答案：由于盆的形状确定，水在盆中所处的宏观态对应的微观态数目少，较为有序。当把水泼出后，它的形状不受盆的限制，各种可能的形状都有，此时所处的宏观态对应的微观态数目将变得非常多，较为无序。因为自发的过程总是从有序向无序发展，所以水不会自发地聚到盆中。\n课内互动探究\n探究对热力学第二定律的理解情景导入一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1kW，制冷能力1.2×104kJ/h，制热能力1.3×104kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量，是指标错误还是能量不守恒？\n提示：都不是。空调制冷(制热)靠压缩机做功，从室内(室外)吸收热量放到室外(室内)。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。\n1．自然过程的方向性(1)热传导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，因而产生其他影响或引起其他变化。要点提炼\n(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。(4)气体向真空膨胀具有方向性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。\n2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义(1)“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。(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方向的影响，如吸热、放热、做功等。\n(3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水温度差来发电。(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，用任何办法都不可能加以消除。\n(1)热力学第二定律的两种表述是等效的。(2)热力学第二定律的实质：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。特别提醒\n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典例1典例剖析B\n解题指导：利用热力学第二定律解决问题时：(1)明确热力学第二定律的两种表述是等效的。其实质是自然界中进行的所有涉及热现象的宏观物理过程都具有方向性。(2)特别注意“不产生其他影响”和“产生其他影响”。热量可以从低温物体传到高温物体，但要“产生其他影响”。(3)热机的效率总是小于1，因为它总要向低温热源散热。\n解析：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，所以不能把散失的能量全部收集起来重新加以利用，A错；由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一定会发生其他变化，C错；只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的，D错。\n对点训练\nA．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律B．气体从单一热源吸热，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．ABC三种说法都不对答案：C\n解析：热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是：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。本题中如果没有外界的帮助，比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，导致气体温度略微降低，是不可能从外界吸收热量的，即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律。\n探究能源是有限的情景导入(1)流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用，可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？\n(2)如图所示是两幅宣传节约能源的图片。请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？提示：(1)内能(2)能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，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能量。\n1．能源的分类要点提炼能源分类方法按形成或转换特点能源分类一次能源二次能源特点自然形成，未经加工由一次能源经过加工转换而成举例太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能\n2．能源开发和利用加强新能源，特别是清洁能源的开发和利用，控制化石能源开采，提高能源的利用率，降低对环境的污染。\n(2021·贵州遵义航天高级中学高二期中)关于能量和能源，下列说法中正确的是()A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少C．能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要D．能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源典例2典例剖析D\n解析：能量在转化和转移过程中，总量是守恒的，A、B错误；能量在转化和转移过程中总量保持不变，但能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，我们要注意节约能源，C错误D正确。\n2．关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观点是错误的()A．常规能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现C．能源的开发和利用，必须要同时考虑其对环境的影响D．通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径对点训练B\n解析：能量虽然守恒，但能量耗散导致能量的品质降低即不可再利用，也往往对环境产生破坏，从而应开发新型的清洁型的能源，故B选项错。\n核心素养提升\n热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系区别热力学第一定律揭示了做功和传热对改变物体内能的规律关系ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性热力学第二定律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，进一步揭示了各种能量转化过程及物质运动形式的转化过程都具有方向性\n联系热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而热力学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，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响，所以二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础\n(多选)关于热力学两大定律，下列说法正确的是()A．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的B．热力学第二定律的两种表述是等效的C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的案例ABD\n解析：热力学第二定律有几种不同的表述形式，但它们是等效的，它与热力学第一定律是各自独立的，A、B正确；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但不引起其他变化是不可能的，D正确。\n规律总结：(1)热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性。告诫人们：第一类永动机不可能制成。(2)热力学第二定律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，内能却不可以全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。告诫人们：第二类永动机也不可能制成。\n课堂达标检测\n1．(多选)(2021·山东青州一中高二下学期月考)下列说法正确的是()A．1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的内能小些B．机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能C．热力学第一定律也可表述为“第一类永动机不可能制成”D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”AC\n解析：1kg的0℃的冰熔化成0℃的水要吸收热量，则1kg的0℃的冰比1kg的0℃的水的内能小些，选项A正确；机械能可以全部转化为内能，内能也能全部转化为机械能，只是会引起其他变化，故B错误；热力学第一定律也可表述为“第一类永动机不可能制成”，选项C正确；热力学第二定律可描述为“不可能使热量自发地由低温物体传递到高温物体”，故D错误。\n2．(2020·山东省济南市章丘区校级模拟)关于热力学定律，下列说法中正确的是()A．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功B．理想气体的等压膨胀过程一定放热C．热量不可能从低温物体传递到高温物体D．压缩气体做功，该气体的内能一定增加A\n\n3．(2021·陕西宝鸡中学高二期中)随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，油价的不断攀升，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正确的是()A．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B．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行C．可以直接利用空气中的内能，减少“温室效应”D．物体吸收热量，物体的内能可能减小D\n解析：内燃机工作时，燃料不可能全部燃烧、尾气要带走部分热量、零件之间存在摩擦生热，发动机本身需要散热等等，故发动机不可能将所有内能转化为机械能，A错误；由于能量的转移和转化具有方向性，满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发地进行，B错误；空气中的内能并不能直接被利用，如果需要利用，则需要热泵，例如空调，空气能热水器等，热泵工作同时消耗电能，引起了其他变化，C错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，Q＞0时，若物体对外界做功W＜0，则物体的内能有可能减少，D正确。
