(讲义)第3章 4 热力学第二定律-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册(人教版2019)

4．热力学第二定律 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．能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，和自然界中的能量转化，转移以及方向性问题。 3．了解能量与能源的区别以及能源的有限性。 　热力学第二定律 1．热力学第二定律的克劳修斯表述 (1)内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 (2)热传递的方向性 ①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。 ②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。 ③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 提醒：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入就能发生。 2．热力学第二定律的开尔文表述 (1)热机 ①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。 ②热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示：η＝。 (2)开尔文表述 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，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)。 提醒：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。 如图是热量在传递过程中的情景。 【问题】 (1)在自然过程中热量是如何传递的？ (2)热量能否由温度低的物体传递给温度高的物体？ (3)空调和冰箱是如何传递热量的？ 提示：(1)热量由温度高的物体传递给温度低的物体，或由温度高的地方传递到温度低的地方。 (2)能。 (3)空调和冰箱可以通过电机做功，把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。 1．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。 (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 物体在地面上运动，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。 2．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面的影响，如吸热、放热、做功等。 (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上下层温度不同来发电。 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，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，不论用任何的办法都不可能加以消除。 特别提醒：(1)热力学第二定律的两种表述是等价的。 (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。 【典例1】　(多选)(2022·河南商丘名校高二下期末)关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是(　　) A．一切物理过程都不可能自发地进行 B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 C．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能是可能的 D．做功可以改变物体的内能，热传递也可以改变物体的内能，同时做功和热传递一定会改变物体的内能 BC　[根据热力学第二定律，一部分物理过程可以自发进行，故A错误；根据热力学第二定律可知，物体不可能从单一热源吸热，并全部用来对外做功而不引起其他变化，若引起外界变化则可以，故B正确；根据热力学第二定律可知，利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在理论上是可行的，故C正确；做功可以改变物体的内能，热传递也可以改变物体的内能，但同时做功和热传递不一定会改变物体的内能，比如物体吸收热量的同时对外做功，内能不一定改变，故D错误。] [跟进训练] 1．下列说法正确的是(　　) A．冰箱能使热量从低温物体传递给高温物体，因此不遵从热力学第二定律 B．空调工作时消耗的电能与室内温度降低所放出的热量可以相