3.4 热力学第二定律&热力学定律 本章知识网络构建（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册同步学案（人教版）

本高中物理讲义聚焦热力学第二定律核心知识点，系统梳理从热现象宏观过程方向性实例归纳定律，到用定律解释不可逆过程，再到能源有限性及能量耗散的知识脉络，搭建从具体实例到抽象规律再到实际应用的学习支架。 该资料通过问题探究引导科学思维，如分析热传递方向性及热机工作原理，结合例题解析深化理解，自我诊断与练习题强化应用。注重科学态度与责任培养，通过能源有限性内容渗透节约意识，课中辅助教师高效授课，课后助力学生查漏补缺，提升知识掌握度。

3．4　热力学第二定律 学习 目标 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，即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。 一、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。即热传递的过程具有方向性。 (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。 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)开尔文表达 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)。 二、能源是有限的 1．能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到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，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。 3．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。 4．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高品质形式降级为不大可用的低品质形式。 [自我诊断] 1．判断下列说法的正误 (1)热量不会从低温物体传给高温物体。( × ) (2)机械能可以完全转化为内能，而内能不可能完全转化为机械能。( × ) (3)可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功。( √ ) (4)能源是取之不尽、用之不竭的。( × ) 2．热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明传热过程具有________。冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这________(填“违反”或“不违反”)热力学第二定律. 答案：方向性　不违反 一、对热力学第二定律的理解 [问题探究] 　(1)传热的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？ (2)如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题： ①制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？ ②热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？ 答案：(1)不能。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向低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传到高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。 (2)①不是 热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。 ②不能 热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的释放到低温热库。 [知识深化] 1．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”传向低温物体的方向性，在传递过程中不会对其他物体产生影响、不需要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。 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，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，过程中所产生的其他影响，不论用任何的办法都不可能加以消除。 2．热力学第二定律的实质 热力学第二定律的两种表述，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。 　(多选)关于热力学第二定律，下列说法中正确的是(　　) A.不可能从单一热库吸热并把它全部用来做功，而不引起其他变化 B.没有冷凝器，只有单一的热库，能将从单一热库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.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化 D.在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能 解析：选AD　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，A正确；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有外界的帮助，故B错误；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故C错误；火力发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能向机械能转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不会全部变为电能，故D正确。 1．一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守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库吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其他影响。　　 　(多选)根据热力学第二定律分析，下列说法正确的是(　　) A.热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体 B.热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体 C.机械能可以全部转化为内能，但内能不可以全部转化为机械能 D.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部转化为机械能 解析：选BD　根据传热的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地(不需要外界帮助)从低温物体传到高温物体，但是如果借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，故A项错误，B项正确；机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功且最终停止运动时，机械能全部转化为内能)，在一定条件下，内能也可以全部转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全部用来做功，故C项错误，D项正确。 二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较 1．两定律的比较 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物理过程、化学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(或只有一个热库，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 　　　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 解析：汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热，既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，显然C选项遵循热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，可以从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，是因为有压缩机做功，故第一个空选B，第二个空选C。 答案：BC 热力学第一定律和热力学第二定律的 应用技巧 (1)应用热力学第一定律，一定要考虑改变物体内能的两种方式，只有做功和传热两方面都确定，才能确定物体内能的变化。 (2)热力学第二定律的应用，关键是对热现象宏观过程的方向性的理解，要抓住“自发地”和“不引起其他变化”等所表述的物理意义。　　 　在热学中，下列说法正确的是(　　) A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律 B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律 C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能 D.热量只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体传向高温物体 解析：选A　不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，故A正确；从单一热库吸收热量而全部用来对外做功的第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故B错误；热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能，而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能，故C错误；热量能从高温物体传向低温物体，在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体，故D错误。 三、能源与能量耗散 　如何正确理解能量耗散和品质降低 (1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了。 (2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，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。 (3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。 　(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是(　　) A.能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律 B.能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用 C.各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的 D.能量耗散导致能量品质的降低 解析：选BCD　能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，选项A错误，D正确；耗散的内能无法再被利用，选项B正确；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，选项C正确。故BCD正确。 1．(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，这说明了(　　) A.热量能自发地从低温物体传到高温物体 B.在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体 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 解析：选BD　一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散。在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散，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，故本题答案为BD。 2．如图所示，汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁接触光滑，但不漏气，现将活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法中正确的是(　　) A.气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律 B.气体是从单一热库吸热，但并未全用来对外做功，因此此过程不违反热力学第二定律 C.气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D.以上三种说法都不正确 解析：选C　由于气体始终通过汽缸壁与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，所以汽缸内的气体温度也不变。要保持其内能不变，该过程气体应从单一热库即外部环境吸收热量，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律。此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生，故C正确。 3．关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述中正确的是(　　) A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的 B.内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾 C.两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别 D.能量守恒定律包含了热力学第一定律和热力学第二定律 解析：选B　热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故B正确。 4．下列说法正确的是(　　) A.能量耗散说明能量在不断减少 B.能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 C.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机 D.根据热力学第二定律，在火力发电机中，燃气的内能可以全部转化为电能 解析：选B　能量耗散是指能量的可利用率越来越低，由于能量守恒，故能量不会减少，A错误；根据热力学第二定律可知，与热现象有关的宏观自然过程具有方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，B正确；根据能量守恒定律，自然界的能量不会减少，C错误；火力发电机发电时，能量转化的过程为化学能—内能—机械能—电能，因为内能—机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，D错误。 eq \a\vs4\al(热 学科网（北京）股份有限公司 $