第三章 4 热力学第二定律-【新课程能力培养】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版）

情境拓展 大约在1670年，英 国约翰·维尔金斯设计了 一种磁力“永动机”， 如图所示。在小柱上放 一个强力的磁铁A,两 情境拓展题图 个斜的木槽M和N叠着倚靠在小柱旁边， 上槽M的上端有一个小孔C,下槽N是弯 曲的。他认为：如果在上槽上放一个小铁球 B,那么由于磁铁A的吸引力，小球会向上 滚，可是滚到小孔处，它就要落到下槽N 上，一直滚到N槽的下端，然后顺着弯曲处 绕上来，跑到上槽M上。在这里，它又受 4.热力学 知识梳理 川知识点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 的定律。它有多种表述。 (1)克劳修斯表述：热量不能 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 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 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 的说明，都可以作为热力学第二 定律的表述。 第三章热力学定律。 到磁铁的吸引，重新向上滚，再从小孔里落 下去，沿着N槽滚下去，然后再经过弯曲处 回到上槽里来，以便重新开始运动。这样， 小球就会不停地前后奔走，进行“永恒的运 动”。关于维尔金斯的“永动机”，正确的认 识是() A.符合理论规律，一定可以实现，只是实 现时间早晚的问题 B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动 机”一定可以实现 C.如果忽略斜面摩擦，铁球质量较小，磁 铁磁性又较强，则这种“永动机”可以 实现 D.违背能量守恒定律，不可能实现 第二定律 川知识点2热机 1.定义：把内能转化为 的装置。 2.原理：热机从 热库吸收热量Q, 推动活塞做功W，然后向 热库 释放热量Q2。 川知识点3热力学第二定律的微观表述！ 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 的方向进行。 2.嫡：在热力学中，嫡表示系统内分子运动 的 的量度。 3.用嫡的概念表示热力学第二定律 在任何 过程中，一个孤立的系 统的总熵不会 。如果过程可逆，则嫡 学(67 高中物理选择性必修第三册（人教版） 如果过程不可逆，则嫡 所以热力学第二定律又叫作 原理。 川知识点4能源和可持续发展 1.能量耗散 (1)定义：分散在环境中的 不能自 动聚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 、。 能量耗散的过程不是能量消失 了，而是一种形式的能量转化成另一种 形式的能量，而且这一系列的转化过程 中都具有 性。 (3)产生的结果：将能量从高度 的 形式降级为 的形式，即能 量品质 2.能源 (1)定义：能源是能够提供可利用 的物质。 (2)能源分类： 能源和 能源。 (3)常规能源：煤 、天然气。 要点突破 川要点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 68)学 (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 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。 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，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 川要点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,推动活塞 做功W，然后向低温热库释放热量Q2。根 据能量守恒Q=W+Q2,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 第三章热力学定律。 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 思路点拨 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。 B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7= [Wx1009%=100% 学(69 N 高中物理选择性必修第三册（人教版） 川要点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.熵和嫡增加原理 (1)嫡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。从嫡的意义上来说，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， 嫡也可以在系统的变化过程中产生或 (70)学 传递。 例3（多选）下列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，一个自发的过程总是 向嫡减少的方向进行 C.热力学第二定律的微观实质是嫡总是增 加的 D.嫡值越大，表明系统内分子运动越无序 思路点拨 嫡是热力学系统内分子运动无序程 度的量度；在自发过程中，嫡总是增加 的。热力学第二定律又称为嫡增加原理。 P变式训练3 (多选)下列关于嫡的说法中正确的是 () 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 川要点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：常规能源有煤、石油、天然 气。新能源有太阳能、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 思路点拨 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。 B变式训练④ (多选)关于能量和能源，下列说法正 第三章热力学定律。 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 具有方向性 D.任何机器都不能提供多于能源供给的 能量 情境拓展 (多选)利用“涡流效应”可实现冷热气 体的分离。如图所示，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人涡 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() 喷嘴 B端 A端 涡流室环形管 分离挡板 情境拓展题图 A.A端为冷端，B端为热端 B.A端流出的气体内能一定大于B端流出的 C.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 D.该装置气体进出的过程既满足能量守恒 定律，也满足热力学第二定律 学 71公式可知，o=4,则t0；对小车，由牛顿第二定 g 律可得-Fmg,由匀变速直线运动的速度公式可 2m 知：2at,=F-pmex vo,则F=5mg①； 2m uig 在A→C过程中，由动能定理得 对金属块：4mgs=2m②， 对小车：(-ung5:=2×2mx2wP③， 由几何关系可知：5号④， h1230解得-号，上5严。 L (2)从小金属块滑至车中点C开始到小金属块停在 车的左端的过程中，系统外力为0，动量守恒，设共同 速度为，由2m2otm=(2m*m加，得u=号w,由能量 守恒得mg号-号m+之x2mx(2m户分x3mx停可月， L-1 变式训练2BD 情境拓展 D【解析】由题意可知，磁铁对小铁球的吸引力大 于重力沿槽向下的分力。小铁球沿槽M滚动时是加速 前进的，小铁球沿N槽滚动时可能是先加速后一定是减 速的。从力的方面定性的无法确定小铁球是否能一直运 动下去；从能量来分析，若忽略摩擦，小铁球即使能滚 到N槽下端（不是槽M下端），其速度也必为零。在不 获得其他任何能量的前提下，无论如何也不可能再获得 速度，使自己绕着弯曲处上升，重新回到M槽底端， 故A、B、C错误，D正确。 >"4.热力学第二定律 知识梳理 知识点1热力学第二定律 1.方向性(1)自发地(2)完全2.等价 方向 知识点2热机 1.机械能2.高温低温 知识点3热力学第二定律的微观表述 1.增大2.无序性3.自发减少不变增加 参考答案与解析。 熵增加 知识点4能源和可持续发展 1.(1)内能(2)热力学第二定律方向 (3)有用不大可用降低 2.(1)能量(2)不可再生可再生(3)石油 要点突破 例1AC【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。 变式训练1BC 例2D【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。 变式训练2C 例3ACD【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，一个自发的过程中嫡 总是向增加的方向进行。嫡值越大，表明系统内分子运 动越无序。 变式训练3AD 例4C【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。 变式训练4CD 情境拓展 AD【解析】根据题目描述可知，A端为冷端，B端 为热端，因此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，但气体的质量未知，所以无法确定气 体内能的大小关系，故A正确，B错误；该装置气体进 出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定 律，故C错误，D正确。 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