第3章 第3节 热力学第二定律 第4节 熵——系统无序程度的量度（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（鲁科版）

本高中物理讲义聚焦热力学第二定律及熵的核心知识点，从宏观过程方向性切入，系统梳理可逆与不可逆过程、热力学第二定律两种表述、第二类永动机原理，进而衔接微观层面的有序无序概念、熵及熵增加原理，最终关联能源耗散与可持续发展，构建完整知识链条。 资料通过判断正误、例题解析及练习题设计，强化科学思维中的科学推理与论证，如对比两类永动机培养模型建构能力。融入能源转型案例，渗透科学态度与责任中的环保意识。课中辅助教师教学，课后助力学生查漏补缺，提升学习效果。

第3节　热力学第二定律 第4节　熵——系统无序程度的量度 1．通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。　2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。　3.了解什么是第二类永动机，知道它不能制成的原因。　4.知道有序和无序的概念。　5.了解热力学第二定律的微观意义，了解熵的概念及用熵的概念表示的热力学第二定律。 6．认识能源和环境与人类生存的关系，知道可持续发展的重大意义，增强保护环境的意识。 一、可逆过程与不可逆过程 1．一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；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．热力学第二定律的克劳修斯表述：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．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η：热机对外做的功与它从高温热源吸收的热量的比值，用公式表示为η＝。热机的效率不可能达到100%。 3．热力学第二定律的开尔文表述：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。 4．第二类永动机 (1)第二类永动机：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)第二类永动机虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律，也是不可能实现的。 三、有序与无序 1．有序：人们将生活中符合某种规则的现象称为有序。 2．无序：人们将生活中不符合某种规则的现象称为无序。 3．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。 四、熵和熵增加原理 1．熵：物理学中用熵来量度系统的无序程度。 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。 五、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。 判断下列说法是否正确。 (1)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。(　　) (2)一个系统中个体排列的“有序”和“无序”是绝对的。(　　) (3)一个宏观状态所对应的微观状态数目越多，则熵越大。(　　) (4)孤立系统的总熵可能增大，也可能减小。(　　) (5)能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等。(　　) (6)大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源。(　　) 提示：(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)热传递具有方向性 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的情况。 (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，使容器内变为真空的情况。 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。 3．两类永动机的比较 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　自然过程的方向性 　(多选)下列哪些过程具有方向性(　　) A．热传递过程 B．动能向势能的转化过程 C．气体的扩散过程 D．气体向真空中的膨胀过程 [解析]　热传递、气体的扩散和气体在真空中的膨胀都是与热现象有关的宏观自然过程，由热力学第二定律可知，它们都具有方向性，故A、C、D正确；动能向势能的转化与热现象无关，不具有方向性，故B错误。 [答案]　ACD 　半导体掺杂对于半导体工业有着举足轻重的作用，其中一种技术是将掺杂源物质与硅晶体在高温(800到1 250摄氏度)状态下接触，掺杂源物质的分子由于热运动渗透进硅晶体的表面，温度越高掺杂效果越显著，下列说法正确的是(　　) A.这种渗透过程是自发可逆的 B．硅晶体具有光学上的各向同性 C．这种渗透过程是分子的扩散现象 D．温度越高掺杂效果越好是因为温度升高时，所有分子的热运动速率都增加 [解析]　掺杂源物质的分子由于热运动渗透进硅晶体的表面，所以这种渗透过程是分子的扩散现象，该过程为自发过程，其逆过程不能自发进行，故A错误，C正确；由于硅晶体的晶格结构，硅晶体具有光学上的各向异性，故B错误；温度越高掺杂效果越好是因为温度升高时，分子的平均速率增大，并不是所有分子的热运动速率都增加，故D错误。 [答案]　C 角度2　热力学第二定律的理解和应用 　(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，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]　气缸壁是导热的，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，所以气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　熵和熵增加原理 熵和熵增加原理 (1)熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样。系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大。 (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。从熵的意义上来说，系统自发变化时，总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减小。 (3)任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。 　(多选)关于熵，下列说法正确的是(　　) 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 [解析]　在同一条件下不同物质有不同的熵值，熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高，相反地，熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序，A、D正确，B、C错误。 [答案]　AD 　用隔板将一绝热容器隔成A和B两部分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空(如图甲所示)，现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如图乙所示)，这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法正确的是(　　) A．自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动 B．自由膨胀前后，气体的压强不变 C.自由膨胀前后，气体的温度不变 D．容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到A部分 [解析]　由分子动理论知，气体分子的热运动是永不停息地做无规则运动，故A错误；由能量守恒定律知，气体膨胀前后内能不变，又因一定质量理想气体的内能只与温度有关，所以气体的温度不变，故C正确；由＝常量可知，气体压强变小，故B错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界影响的情况下，容器中的气体不能自发地全部回到容器的A部分，故D错误。 [答案]　C 知识点三　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。 　涉及热现象的过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法正确的是(　　) A．能量耗散不是自主发生的 B．能量耗散不符合热力学第二定律 C．能量耗散过程中能量不守恒 D．能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中的宏观过程具有方向性 [解析]　能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来，其满足能量守恒定律，也符合热力学第二定律，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了；能量耗散反映了涉及热运动的宏观过程都具有方向性，是自主发生的，所以A、B、C错误，D正确。 [答案]　D 　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 1．(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。 2．(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。 3．(熵和熵增加原理)(多选)从微观角度看，下列说法正确的是(　　) A．气体向真空的自由膨胀是可逆的 B．一个非孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展 C．一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大 D．出现概率越大的宏观状态，熵值越大 解析：选CD。一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。熵是用来描述系统大量分子运动无序性程度的。在任何自然过程中，一个孤立的系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立的系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。对于一个非孤立的系统，在与外界有能量交换时其熵也有可能变小，故A、B错误，C、D正确。 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 $