第3章 4. 热力学第二定律-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第三章 热力学定律 知 识 梳 理 知识点 1 热力学第二定律 1. 热力学第二定律是反映宏观自然过程的方 向性的定律。 它有多种表述。 （ 1 ） 克劳修斯表述： 热量不能自发地从低温 物体传到高温物体。 （ 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。 2. 两种表述的关系： 上述两种表述是等价 的， 可以从其中一种表述推导出另一种表 述， 而且对任何一类宏观自然过程进行方 向的说明， 都可以作为热力学第二定律的 表述。 知识点 2 热机 1. 定义： 把内能转化为机械能的装置。 2. 原理： 热机从高温热库吸收热量 Q 1 ， 推 动活塞做功 W ， 然后向低温热库释放热 量 Q 2 。 知识点 3 热力学第二定律的微观解释 1. 热力学第二定律的微观解释： 一切自然过 程总是沿着分子热运动的无序性增大的方 向进行。 2. 熵 （ 1 ） 定义： 若用 Ω 表示一个宏观状态所对应 的微观状态的数目、 k 表示玻尔兹曼常 量、 S 表示熵， 则 S=klnΩ 。 （ 2 ） 意义： 熵是表示系统内分子运动无序性 的量度。 3. 用熵的概念表示热力学第二定律 在任何自发过程中， 一个孤立系统的总 熵不会减少。 如果过程可逆， 则熵不变； 如 果过程不可逆， 则熵增加。 所以， 热力学第 二定律又叫作熵增加原理。 知识点 4 能源和可持续发展 1. 能量耗散 （ 1 ） 定义： 分散在环境中的内能不能自动聚 4. 热力学第二定律 10 6 J 。 如果每天等效日照时间 约为 6 h ， 光电池一天产生的电能可供 40 W 的红绿灯工作 8 h 。 光电池的光电转换效率 约为 （ ） A． 4.8% B． 9.6% C． 16% D． 28.8% 解析： 每天 （ 6 h ） 太阳能电池板吸收的太 阳能 ： W 总 ＝0.3 m 2 ×4×10 6 J/h · m 2 ×6 h＝7.2× 10 6 J ， 交通信号灯的电功率： P 额 ＝40 W ， 交通信号灯正常工作 8 h 消耗的电能： W 有用 ＝Pt＝40 W×8×3600 s＝1.152×10 6 J ， 太阳能照明灯利用太阳能的效率： η＝ W 有用 W 总 × 100%＝16% ， 故 C 正确， A 、 B 、 D 错误。 答案： C 变式训练答案 1. A 2. BD 75 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 集起来驱动机器做功。 这样的转化过程 叫作能量耗散。 （ 2 ） 遵循的规律： 能量守恒定律和热力学第 二定律。 能量耗散的过程不是能量消失 了， 而是一种形式的能转化成另一种形 式的能， 而且在这一系列的转化过程中 都具有方向性。 （ 3 ） 产生的结果： 将能量从高度有用的形式 降级为不大可用的形式， 即能量品质 降低。 2. 能源 （ 1 ） 定义： 能源是能够提供可利用能量的 物质。 （ 2 ） 能源分类： 不可再生能源和可再生能源。 （ 3 ） 常规能源： 煤、 石油、 天然气。 要 点 突 破 要点 1 热力学第二定律及其理解 1. 热传导的方向性 温度不同的两个物体接触时， 热量会自 发地从高温物体传向低温物体， 但不会自发 地从低温物体传给高温物体。 要实现相反方 向的过程， 必须有外界的帮助， 所以会引起 其他变化。 2. 对热力学第二定律的理解 （ 1 ） 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。 （ 2 ） 其他影响： 指除了从单一热库吸收的热 量， 以及所做的功以外的其他一切影 响。 不是不能从单一热库吸收热量而对 外做功， 而是这样做的结果， 一定伴随 着其他变化或影响； 同样， 热量也不是 不能从低温物体传到高温物体， 而是指 不产生其他影响的自动热传导是不可 能的。 （ 3 ） 关于 “不可能”： 实际上热机或制冷机 系统循环终了时， 除了单一热库吸收热 量对外做功， 以及人类从低温热库传到 高温热库以外， 过程所产生的其他一切 影响， 不论用任何复杂的方法都不可能 加以消除。 （ 4 ） 适用条件： 只能适用大量分子所构成的 系统及有限范围内的宏观过程， 而不适 用少量分子的微观系统， 也不能把系统 扩展到无限的宇宙。 （ 5 ） 热力学第二定律两种表述是等价的： 两 种表述都揭示了热现象宏观过程的方向 性。 两种表述可以互相推导。 例 1 （多选） 下列对热力学定律的理解正确 的是 （ ） A. 可以从单一热源吸收热量， 使之完全变 为功 B. 由热力学第一定律可知做功不一定改变 内能， 热传递也不一定改变内能， 但同 时做功和热传递一定会改变内能 C. 空调机在制冷过程中， 从室内吸收的热 量少于向室外放出的热量 D. 热量不可能由低温物体传给高温物体 76 学 第三章 热力学定律 解析： 不能从单一热源吸收热量使之完全变 为功而不产生其他影响， 但在一定的条件下 可以从单一热源吸收热量， 使之完全变为 功， 故 A 正确； 由热力学第一定律可知： 只 对某一热力学系统做功或热传导， 该系统内 能一定改变， 但是对热力学系统同时做功和 热传导， 该系统内能可能不变， 故 B 错误； 空调机在制冷过程中， 把室内的热量向室外 释放， 消耗电能， 产生热量， 故从室内吸收 的热量小于向室外放出的热量， 故 C 正确， D 错误。 答案： AC 变式训练 1 （多选） 电冰箱的制冷设备是用机械的 方式制造人工低温的装置， 压缩机工作时， 强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环， 实现制冷作用， 那么下列说法中正确的是 （ ） A． 打开冰箱门让压缩机一直工作， 可使室 内温度逐渐降低 B． 在电冰箱的内管道中， 制冷剂迅速膨胀 并吸收热量 C． 在电冰箱的外管道中， 制冷剂被剧烈压 缩放出热量 D． 电冰箱的工作原理违背了热力学第二 定律 要点 2 热机和第二类永动机 1. 热机 热机从高温热库吸收热量 Q 1 ， 推动活塞 做功 W ， 然后向低温热库释放热量 Q 2 。 根 据能量守恒 Q 1 ＝W＋Q 2 ， 所以热机的效率不可 能达到 100% 。 2. 第二类永动机 （ 1 ） 设想： 只从单一热库吸收热量， 使之 全部用来做功， 而不产生其他影响的 热机。 （ 2 ） 结果： 第二类永动机不可能制成， 因为 根据热力学第二定律， 机械能和内能的 转化过程具有方向性， 机械能可以全部 转化为内能， 内能却不能全部转化为机 械能， 而不产生其他影响。 例 2 第二类永动机不可能制成 ， 是因为 （ ） A. 违背了能量守恒定律 B. 热量总是从高温物体传递到低温物体 C. 机械能不能全部转化为内能 D. 内能不能全部转化为机械能， 而不引起 其他变化 解析： 根据热力学第二定律， 不可能从单一 热源吸热并把它全部用来做功， 而不引起其 他变化； 第二类永动机并不违反能量转化和 热力学第二定律的内容为不可能 把热从低温物体传到高温物体而不产 生其他影响 ， 或不可能从单一热源取 热使之完全转换为有用的功而不产生 其他影响。 思路点拨 热力学第二定律： 不可能把热从低 温物体传到高温物体而不产生其他影响； 不可能从单一热源取热使之完全转换为 有用的功而不产生其他影响。 思路点拨 77 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 守恒定律， 不可能制成是因为违反了热力学 第二定律， 系统从单一热源取热使之完全转 换为有用的功而不产生其他影响是不可能 的， 故 D 正确。 答案： D 变式训练 2 下列说法正确的是 （ ） A． 机械能全部变成内能是不可能的 B． 从热库吸收的热量全部变成功是不可 能的 C． 热机是一种把内能转化为机械能的装置 D． 没有任何漏气和摩擦时， 热机的效率 η＝ W Q ×100%＝100% 要点 3 热力学第二定律的微观解释 1. 有序和无序 确定了某种规则后， 如果系统中个体的 分布符合这个规则， 这样的系统是有序的； 如果对个体的分布没有确定的要求， 个体怎 样分布都可以， 这样的系统的分布是无序的。 2. 热力学第二定律的微观解释 （ 1 ） 热传导的方向性的微观解释： 高温物体 中分子热运动的平均速率大于低温物 体， 高温物体分子与低温物体分子的碰 撞过程中， 低温物体分子运动的剧烈程 度会逐渐加剧， 因此低温物体温度升高 了， 高温物体温度降低了， 这就解释了 热传导的方向性。 （ 2 ） 从有序和无序角度来看： 初始状态我们 根据温度高低来区分两个物体， 而终了 状态两个物体上的温度处处相同， 说明 系统的无序程度增加了。 3. 熵和熵增加原理 （ 1 ） 熵是反映系统无序程度的物理量， 正如 温度反映物体内分子的平均动能大小一 样。 系统越混乱， 无序程度越大， 这个 系统的熵越大。 （ 2 ） 系统自发变化时， 总是向着无序程度增 加的方向发展， 至少无序程度不会减 少。 也就是说， 系统自发变化时， 总是 由热力学概率小的状态向热力学概率大 的状态进行。 从熵的意义上来说， 系统 自发变化时， 总是向着熵增加的方向发 展， 不会使熵减少。 （ 3 ） 任何宏观物质系统都有一定量的熵 ， 熵也可以在系统的变化过程中产生或 传递。 例 3 （多选） 下面关于熵的说法正确的是 （ ） A. 熵是物体内分子运动无序程度的量度 B. 对孤立系统而言， 一个自发的过程中熵 总是向减少的方向进行 C. 热力学第二定律的微观实质是熵总是增 加的 D. 熵值越大， 表明系统内分子运动越无序 解析： 熵是热力学系统内分子运动无序程度 的量度。 对孤立系统而言， 一个自发的过程 中熵总是向增加的方向进行。 熵值越大， 表 明系统内分子运动越无序。 熵是热力学系统内分子运动无序程 度的量度； 在自发过程中， 熵总是增加 的。 热力学第二定律又称为熵增加原理。 思路点拨 78 学 第三章 热力学定律 答案： ACD 变式训练 3 （多选） 下列关于熵的说法中正确的是 （ ） A． 熵值越大 ， 意味着系统越 “混乱 ” 和 “分散”， 无序程度越高 B． 熵值越小， 意味着系统越 “混乱” 和 “分 散”， 无序程度越高 C． 熵值越大， 意味着系统越 “整齐” 和 “集 中”， 也就是越有序 D． 熵值越小 ， 意味着系统越 “整齐 ” 和 “集中”， 也就是越有序 要点 4 能源和可持续发展 1. 能量耗散和品质降低 （ 1 ） 能量耗散： 有序程度高的能量转化为有 序程度低的能量， 在各种各样的活动 中， 机械能、 电能、 光能、 声能、 化学 能、 核能、 生物能……最终都转化成内 能， 流散到周围的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 程度变大的过程 。 是能够自发发生 、 全额发生的。 能量转化过程中都具有方 向性。 （ 3 ） 能量耗散虽然不会导致能量总量的减 少， 却会导致能量品质的降低， 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， 即能量品质降低。 2. 能源与环境 （ 1 ） 能源分类： 常规能源： 煤、 石油、 天然 气。 新能源： 太阳能、 风能、 水能等。 （ 2 ） 环境问题： 化石能源的资源有限， 而且 使用时对环境破坏很大， 造成环境的 污染。 例 4 关于能量和能源， 下列说法正确的是 （ ） A. 在能源的利用过程中， 由于能量在数量 上并未减少， 所以不需要节约能源 B. 能量耗散说明能量在转化的过程中， 其 总量会不断减少 C. 能量耗散现象说明， 在能量转化的过程 中， 可利用的品质降低了 D. 人类在不断地开发和利用新能源， 所以 能量可以被创造 解析： 在能源的利用过程中， 虽然能量在数 量上并未减少， 但可利用率越来越小， 故 A 错误； 能量耗散说明能量在转化的过程中 能量的可利用率越来越小， 但总量不会减 少， 故 B 错误， C 正确； 由能量守恒可知 D 错误。 答案： C 变式训练 4 （多选） 关于能量和能源， 下列说法正 确的是 （ ） A． 人类在不断地开发和利用新能源， 所以 能量可以被创造 B． 能量守恒只适用于宏观物体低速运动 ， 不适用于微观粒子高速运动 C． 自然界中只要涉及热现象的宏观过程都 能量在数量上并未减少， 但由于能 量耗散， 故能量的可利用率越来越小。 思路点拨 79 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 具有方向性 D． 任何机器都不能提供多于能源供给的 能量 拓 展 创 新 如图所示， 两种不同的金属组成一个回 路， 接触头 1 置于热水杯中， 接触头 2 置于 冷水杯中， 此时回路中电流计发生偏转， 这 是温差电现象。 假设此过程电流做功为 W ， 接触头 1 从热水中吸收的热量为 Q 1 ， 冷水从 接触头 2 吸收的热量为 Q 2 ， 根据热力学第二 定律可得 （ ） A． Q 1 ＝W B． Q 1 ＞W C． Q 1 ＜Q 2 D． Q 1 +Q 2 ＝W 解析： 热水是系统能量的来源， 接触头 1 从 热水中吸收的热量 Q 1 ， 一部分转化为电流做 功 W ， 另一部分能量被冷水吸收， 则有 Q 1 ＝ W+Q 2 ， 即 Q 1 ＞W ， 故 B 正确 ， A 、 C 、 D 错误。 答案： B 变式训练答案 1. BC 2. C 3. AD 4. CD 热水 冷水 铜丝 康铜丝 1 2 拓展创新题图 80