第3章 第4节 热力学第二定律（Word教参）-【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本讲义围绕热力学第二定律这一核心知识点，系统梳理自然过程的方向性（传热、扩散、机械能与内能转化），阐述克劳修斯表述（传热方向）和开尔文表述（机械能与内能转化方向），延伸至能量耗散、熵增加原理，构建从现象到定律再到应用的知识支架。 该资料通过判断题辨析概念、多角度例题解析（如热机效率、第二类永动机）培养科学思维，结合能源转型案例渗透科学态度与责任。课中辅助教师讲解核心概念，课后练习题助学生巩固，实现知识内化与应用。

第4节　热力学第二定律 　 1．知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。具有方向性的过程是不可逆的。　2.理解热力学第二定律的两种表述。　3.学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题。 一、热力学第二定律 1．传热的方向性 (1)热量可以自发地由高温物体传到低温物体。 (2)热量不能自发地由低温物体传到高温物体。 (3)传热过程是有方向性的。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(该表述阐述的是传热的方向性) 3．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：热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分要排放给低温热库，即W＜Q。 4．热力学第二定律的开尔文表述：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)注意：热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。 二、能源是有限的 1．能量耗散：能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。在各种各样的活动中，其他形式的能最终都转化成内能流散到周围的环境中，再也不能自动聚集起来驱动机器做功了，这种转化过程叫作能量耗散。 2．能量品质降低：机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。所谓能源，其实是指具有高品质的容易利用的储能物质。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 三、熵与熵增加原理 1．熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。 2．在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。 3．自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。 判断下列说法是否正确。 (1)热量不能由低温物体传给高温物体。(　　) (2)科技发达后，热机的效率可以达到100%。(　　) (3)机械能可以全部转化为内能，而内能不能自发地全部转化为机械能。(　　) (4)能量耗散不遵循能量守恒定律。(　　) (5)能量耗散会导致能量品质降低。(　　) (6)为了可持续发展，必须节约能源。(　　) 答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√ 知识点一　热力学第二定律 1．自然过程的方向性 (1)传热具有方向性 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，因而会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)气体向真空中的膨胀具有方向性 气体可自发地向真空容器中膨胀，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．热机 (1)热机：把内能转化成机械能的一种装置。 如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。 (2)热机的工作原理 工作物质从热库吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中。 根据能量守恒有Q1＝W＋Q2。 (3)热机的效率 把热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η＝。 因为Q1＝W＋Q2，所以Q1＞W，η＜1。 这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中。 　(1)热机必须有热源和冷凝器。 (2)热机的效率不可能达到100%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。 3．两类永动机的比较 比较项目 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不消耗任何能量，可以不断地做功(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 角度1　热力学第二定律的理解 　(多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是(　　) A．功转变为热的实际宏观过程是不可逆的 B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可以实现的 C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行 D．一切物理过程都不可能自发地进行 [解析]　热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律，功转变为热的实际宏观过程是不可逆的，由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行，A、C正确，D错误；由热力学第二定律可知，并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现，B错误。 [答案]　AC 　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，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现通过活塞杆使活塞缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功。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，并全部用来对外做功，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，但并未全部用来对外做功，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，并全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D．气体不是从单一热源吸热，且并未全部用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律 [解析]　汽缸壁是导热的，外界环境温度不变，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，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功才能保证内能不变，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力对活塞做功，此过程不可能发生。 [答案]　C 角度2　热力学定律的理解和应用 　(2025·河北廊坊市部分高中期末)下列有关热学现象的说法正确的是(　　) A．双手互相摩擦发热的现象是用传热的方法来改变物体内能的 B．在散热的条件下被压缩的气体内能一定增加 C．第二类永动机不违反热力学第二定律，只违反热力学第一定律 D．宏观与热现象有关的自发的物理过程都是不可逆的 [解析]　双手互相摩擦发热的现象是用做功的方法来改变物体内能的，A错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，在散热的条件下，被压缩的气体内能不一定增加，B错误；第二类永动机不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律，C错误；宏观与热现象有关的自发的物理过程都是不可逆的，D正确。 [答案]　D 角度3　第二类永动机 　关于对永动机的认识，下列说法正确的是　(　　) A．随着科技的不断发展，永动机是可以制成的 B．永动机指的是在摩擦力趋于零的条件下一直运动的机器，它不需要对外做功 C．两类永动机的实质和工作原理是相同的，都是人们的美好设想，是永远不会实现的 D．虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但仍不可制成 [解析]　第一类永动机违反了能量的转化与守恒，不可能实现，故A错误；永动机需要对外做功，故B错误；两类永动机的实质和工作原理是不相同的，故C错误；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，仍不可制成，D正确。 [答案]　D 知识点二　能量耗散和品质降低 1．能量耗散 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，能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。 2．能量品质的降低 能量耗散虽然不会使能量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。内能较之机械能、电能、光能、核能等是一种低品质能量。 　国务院新闻办公室于2024年8月29日发布《中国的能源转型》白皮书，回顾了近十年来，中国坚定不移走绿色低碳的能源转型之路取得的显著成效，也制定了相关中长期发展规划。关于能源与可持续发展，下列说法正确的是(　　) A．因为自然界的能量是守恒的，所以不会有能源危机 B．能量耗散说明自然界的能量正在不断减少 C．实现可持续发展，一方面要大力提倡多使用能源，另一方面要发展可再生能源以及天然气、核能等对生态环境的污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明 D．水能为可再生能源，水电站是利用水能的重要形式 [解析]　能源在利用的过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，可知，即使自然界的能量是守恒的，仍然会有能源危机，故A错误；能量耗散说明自然界便于人类利用的能量减少，但总能量仍然是守恒的，故B错误；实现可持续发展，一方面要大力提倡节能，而不是多使用能源，另一方面要发展可再生能源以及天然气、核能等对生态环境的污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明，故C错误；水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式，故D正确。 [答案]　D 　(多选)如图是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量E0＝7×103 J/(m2·s)。一台热水器的聚热面积为2 m2，若每天相当于太阳直射热水器4 h，太阳能的20% 可转化为水的内能，则下列说法正确的是 (　　) A．只有20%的太阳能可转化为水的内能，说明能量不守恒 B．太阳能可转化为水的内能，但水的内能不可转化为太阳能，说明能量转化具有方向性 C．这台热水器一天内最多能利用的太阳能为4.032×107 J D．这台热水器一天内最多能利用的太阳能为5.6×104 J [解析]　只有20%的太阳能可转化为水的内能，其余能量被耗散到空气中，能量是守恒的，故A错误；太阳能可转化为水的内能，但水的内能不可转化为太阳能，说明能量转化具有方向性，故B正确；根据题意，这台热水器一天内最多能利用的太阳能E＝E0×S×t×20%＝4.032×107 J，故C正确，D错误。 [答案]　BC 1．(热力学第二定律)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．在封闭的房间里打开冰箱一段时间后，房间温度会降低 C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律 解析：选C。由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故A错误；电冰箱工作时消耗电能，房间的总热量会增加，房间温度会升高，故B错误；电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律和第二定律，故C正确，D错误。 2．(热力学第二定律)(多选)下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　　) A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生 B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 C．机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能 D．气体向真空的自由膨胀是可逆的 解析：选BC。符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；根据热力学第二定律，机械能可以全部转化为内能，但在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能，C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误。 3．(热力学第二定律)根据能量转化与转移的方向性，下列判断不正确的是(　　) A．电流的电能可以全部转变为内能 B．在火力发电中，燃气的内能不可能全部转变为电能 C．在热机中，燃气的内能不可能全部转化为机械能 D．在传热中，热量不可能自发地从高温物体传向低温物体 解析：选D。电流通过电路时，电能可以全部转变为内能，故A正确；根据热力学第二定律可知，在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能，故B正确；根据能量转化的方向性知，燃气的内能不可能全部转化为机械能，故C正确；根据热力学第二定律知，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体，但热量可以自发地从高温物体传向低温物体，故D错误。 4．(能源和能量转化)(多选)下列关于能量转化或转移过程的说法不正确的是(　　) A．所有能量守恒的过程都能自发地发生 B．摩擦生热的过程是不可逆过程 C．水能、风能、太阳能为可再生能源 D．能的转化过程符合能量守恒定律，因此不会发生能源危机 解析：选AD。并非所有能量守恒的过程都能自发地进行，如在没有引起其他变化的情况下，热量不能自发地从低温物体向高温物体传递，故A错误；根据热力学第二定律，机械能向内能转化具有方向性，可知摩擦生热的过程是不可逆过程，故B正确；水能、风能、太阳能为可再生能源，故C正确；能的转化过程符合能量守恒定律，虽然总能量不变，但是可利用的能源越来越少，可能会发生能源危机，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $