第3章 4.热力学第二定律-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步讲义(人教版)

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