3.3～3.4 热力学第二定律～熵——系统无序程度的量度-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 [学习目标]　1.知道什么是可逆过程与不可逆过程，知道热传递的方向性。2.掌握热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因(重点)。3.了解熵的概念及熵增加原理，并能解释生活中的有关现象。 一、可逆过程与不可逆过程 1．可逆过程与不可逆过程 (1)可逆过程：一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。 (2)如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。 2．热传递是不可逆过程，具有方向性。 3．功热转化这一热现象是不可逆的，具有方向性。 4．凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。 二、热力学第二定律及第二类永动机 1．热力学第二定律 (1)克劳修斯表述 不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。 (2)开尔文表述 不可能从单一热源吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化。 2．第二类永动机 (1)定义 从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不引起其他变化的机器。 (2)第二类永动机不可能制成 第二类永动机并不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。 (3)热力学第二定律的又一表述 第二类永动机是不可能实现的。 1．如何解释热力学第二定律的两种表述中的“不引起其他变化”？ 答案　“不引起其他变化”是指使热量从低温物体传递到高温物体时外界不消耗任何功或从单一热源吸收热量全部用来做功而外界及系统都不发生任何变化。 2．(1)“热量不可能从低温物体传向高温物体”这种理解正确吗？ (2)“功可以完全转化为热，但热不能完全转化为功”这种理解正确吗？ 答案　(1)不正确。克劳修斯表述是说热量不能自发地从低温物体传向高温物体。如果外界消耗一定量的功，把热量从低温物体传向高温物体是完全可能的，如电冰箱和空调机的制冷过程。 (2)不正确。开尔文表述表明了在引起其他变化或产生其他影响的条件下，热量能够完全转化为功，如理想气体的等温自由膨胀，内能不变，吸收的热量全部转化为功，但却引起了体积的膨胀。 3．如图是制冷系统和热机的工作原理示意图，通过图思考以下问题。 (1)制冷系统工作时热量是自发地从低温热源传到高温热源吗？ (2)热机工作时能否将从高温热源吸收的热量全部用于做功？ 答案　(1)不是，热量从低温热源传到高温热源时需要有外界做功。 (2)不能，热机工作时只能将从高温热源吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热源。 例1　(多选)根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是(　　) A．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 B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的 C．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化 D．如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到100% 答案　AC 解析　热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，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，而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A选项正确，B选项错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，C选项正确；热机效率无法达到100%，D项错误。 例2　(2022·河南驻马店市高二期末)下列过程中可能发生的是(　　) A．某种物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他影响 B．打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复原状 C．利用其他手段，使低温物体的温度更低，高温物体的温度更高 D．将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开 答案　C 解析　根据热力学第二定律，热量自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误；气体膨胀具有方向性，不能自发逸出又自发跑进去，使其恢复原状，B错误；根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可以实现的，C正确；扩散现象有方向性，因此混合后不能自发地各自分开，D错误。 例3　(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内、外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是(　　) A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C．电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律 D．电冰箱的工作原理违背热力学第二定律 答案　BC 解析　根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功，故A错误，B正确；电冰箱的工作原理不违背热力学第二定律，故C正确，D错误。 1．一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。 2．热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的。例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热源吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响。 三、熵 如果分子的运动可自发地从无序变为有序，会有什么现象发生？这些现象会自然发生吗？为什么？ 答案　如果分子运动自发地从无序变为有序，那么会有内能自发地全部转化为机械能，低温物体自发地将热量传递到高温物体等现象发生；这些现象违背了热力学第二定律，因此这些现象是不可能发生的。 1．有序与无序 (1)生活中符合某种规则的现象称为有序，反之称为无序。规则越多，一个宏观状态对应的微观状态越少，出现的概率越小，我们称之为越有序。反之规则越少，一个宏观状态对应的微观状态就越多，出现的概率也越大，我们称之为越无序。 (2)热力学第二定律的微观本质：与热现象有关的自然发生的宏观过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。 2．熵和熵增加原理 (1)熵的定义 用来量度系统无序程度的物理量叫作熵。 (2)熵增加原理 在孤立系统中的宏观过程必然朝着熵增加的方向进行。 3．熵与能量退降 在熵增加的同时，一切不可逆过程总是使得能量从可利用状态转化为不可利用状态，能量品质退化了，这种现象称为能量退降。 例4　(2022·广东佛山一中高二期中)下列关于熵的说法错误的是(　　) A．熵是物体内分子运动无序程度的量度 B．在孤立系统中，一个自发的过程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是增加的 D．熵值越大，代表系统分子运动越无序 答案　B 解析　熵是分子运动无序程度的量度，熵越大，分子运动无序程度越大，A、D正确；孤立系统中发生的任何实际过程，其能量的总值保持不变，而其熵值增加，B错误，C正确。 四、热力学第一定律和热力学第二定律的比较 1．热力学两定律的比较 热力学第一定律 热力学第二定律 区别 是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的宏观自然过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机 联系 两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 2.两类永动机的比较 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能向机械能的转化) 不可能制成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律 例5　关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是(　　) A．第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律 B．第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律 C．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 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，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的 答案　D 解析　第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背了热力学第二定律，A、B错误；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选项D中的现象是可能的，但会产生其他影响，D正确。 例6　(2020·全国卷Ⅱ)下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有________，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有________。(填正确答案标号) A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热 B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低 C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响 D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内 答案　B　C 解析　A项符合热力学第一、第二定律。冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或温度都不变，B项描述违背了热力学第一定律。C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第二定律。 课时对点练 考点一　热力学第二定律的理解 1．关于自然过程中的方向性，下列说法正确的是(　　) A．摩擦生热的过程是可逆的 B．凡是符合能量守恒的过程一般都是可逆的 C．涉及热现象的宏观自然过程都具有“单向性”或“不可逆性” D．空调机既能制冷又能制热，说明热传递不存在方向性 答案　C 2．把水和酒精混合后，用蒸发的方式又可以分开，然后液化恢复到原来的状态，这说明(　　) A．扩散现象没有方向性 B．将水和酒精分开时，引起了其他变化，故扩散具有方向性 C．将水和酒精分开时，并没有引起化学变化，故扩散现象没有方向性 D．用本题的实验，无法说明扩散现象是否具有方向性 答案　B 解析　由题意可知，两者混合时是自动发生的，但两者分离时，要先加热后冷却，也就是说，向分离与向混合这两个方向的发展是可以通过过程是否自动完成、是否需要外加其他手段才能完成来区分的，因此，可以证明扩散是有方向性的，B正确，A、C、D错误。 3．(多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明(　　) A．热量能自发地从低温物体传给高温物体 B．在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体 C．热量的传递过程不具有方向性 D．在自发的条件下热量的传递过程具有方向性 答案　BD 解析　一切自发过程都有方向性，如热传递，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；在外界帮助下，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体(冷冻食品)传向高温物体(周围的大气)。故B、D正确，A、C错误。 4．(多选)若有人想制造一种使用于轮船上的机器，它从海水中吸热全部转变为功，而不产生其他影响，关于这种设想，下列说法正确的是(　　) A．这种机器能造成 B．这种机器不能造成 C．这种机器违反了热力学第一定律 D．这种机器违反了热力学第二定律 答案　BD 解析　这种机器从海水中吸热全部转变为功，而不产生其他影响，这相当于第二类永动机，第二类永动机不违反热力学第一定律，但违反了热力学第二定律，不能造成，故B、D正确。 5．(2022·新疆乌鲁木齐第八中学高二期末)以下现象违背热力学第二定律的是(　　) A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉 B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100% C．桶中浑浊的泥水静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能 答案　B 解析　热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体，不违背热力学第二定律；任何热机效率都不可能达到100%，违背热力学第二定律；泥、水分离是机械能向内能的转化，不违背热力学第二定律；物体因摩擦力而停下来，是机械能向内能的转化，是自发过程，不违背热力学第二定律，故选B。 考点二　对“熵——系统无序程度的量度”的理解 6．(多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法中正确的是(　　) A．大量分子无规则的热运动能够自发转变为有序运动 B．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程 C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程 D．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 答案　CD 解析　热传递的过程中热量从温度高的物体向温度低的物体传递，是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化，而不是从有序运动状态向无序运动状态的转化；大量分子的运动不可能从无序运动自动转为有序运动；自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。A、B错误，C、D正确。 考点三　热力学第一定律和热力学第二定律的比较 7．关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) A．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加 B．质量一定的某种理想气体吸收热量后温度一定升高 C．不可能使热量从低温物体传向高温物体 D．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 答案　D 解析　由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，改变内能的方式有做功和热传递，若W>0，而Q<0，则内能不一定增加，A项错误；同理气体吸收热量后，内能不一定增加，温度不一定升高，B项错误；在产生其他影响的情况下热量可以从低温物体传向高温物体，C项错误；功转变为热具有方向性，D项正确。 8．(多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法正确的是(　　) A．一定质量的理想气体经历缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减少 B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的 C．第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律 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” 答案　AB 解析　一定质量的理想气体经历缓慢的绝热膨胀过程，Q＝0，W<0，根据ΔU＝W＋Q可知，气体的内能减小，故A正确；热力学第二定律表明：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确；第一类永动机不可能制成是因为违背了能量守恒定律，故C错误；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，而不引起其他变化”，故D错误。 9．(2022·江苏省高二学业考试)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 答案　D 解析　能量在转化和转移过程中，总量是守恒的，但品质降低了，且现有可利用的能源有限，故我们要注意节约能源，选项D正确。 10.如图所示，气缸内盛有一定质量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触处是光滑的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接并缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　　) A．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．气体是从单一热源吸热，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．以上三种说法都不对 答案　C 解析　由于气缸壁是导热的，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使活塞缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热传递，气缸内的气体温度不变，即内能不变。该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功并保证内能不变，但此过程并不违反热力学第二定律，这是因为此过程需要外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能自发进行，故选项C正确。 11.(2022·江苏苏州市高二期末)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Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得(　　) A．Q1＝W B．Q1>W C．Q1<Q2 D．Q1＋Q2＝W 答案　B 解析　根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他影响；所以从热水中吸收的热量Q1应该大于电流做的功W，即Q1>W。根据能量守恒定律和热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分是电能W，另一部分是冷水吸收的热量Q2，故选B。 12．(多选)(2022·湖南卷改编)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　　) A．A端为冷端，B端为热端 B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的 C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的 D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律 答案　AB 解析　依题意，中心部位为热运动速率较低的气体，与挡板作用后反弹，从A端流出，而边缘部分为热运动速率较高的气体，从B端流出；同种气体分子平均热运动速率较大、其对应的温度也就较高，所以A端为冷端、B端为热端，故A正确。依题意，A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，所以从A端流出的气体分子热运动平均速率小于从B端流出的，从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能；内能的多少还与分子数有关，依题意，不能得出从A端流出的气体内能一定大于从B端流出的气体内能，故B正确，C错误。该装置将冷热不均的气体进行分离，喷嘴处有高压，即通过外界做功而实现的，并不是自发进行的，没有违背热力学第二定律；温度较低的从A端流出、较高的从B端流出，也符合能量守恒定律，故D错误。 13．(多选)(2022·山西省高二期末)如图是空气能热水器的工作原理示意图，它主要由储水箱、毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器等部件组成。制冷剂在毛细管、蒸发器、压缩机、冷凝器之间循环过程与我们所熟悉的电冰箱的制冷循环过程相同，其工作过程如下： ①液态制冷剂经过一段很细的毛细管缓慢地进入蒸发器，在蒸发器中迅速汽化，并从低温的空气中吸收热量。 ②制冷剂汽化生成的蒸汽被压缩机压缩后变成高温高压的蒸汽进入冷凝器。 ③在冷凝器中，高温高压的蒸汽将热量传递给水并发生液化。制冷剂以此不断循环流动，使水的温度不断上升。下列说法正确的是(　　) A．空气能热水器实现了“热量由低温物体(空气)传向高温物体(水)” B．空气能热水器中的水被加热是由电直接加热的 C．空气能热水器的工作原理不违反热力学第一定律 D．空气能热水器的制热系统能够不断地把空气的内能传给水，是因为其消耗了电能 答案　ACD 解析　空气能热水器工作时将外界低温空气中的热收集起来然后通过压缩机再传给里面温度较高的水，使水的温度升高，故A、D正确，B错误；空气能热水器在工作时遵守热力学第一定律，故C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$