第三章 4 热力学第二定律（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第三册教师用书（人教版 浙江）

DISANZHANG 第三章 4　热力学第二定律 1 1.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(重点)。 2.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题(难点)。 3.理解能量耗散，知道能源是有限的。 学习目标 2 一、热力学第二定律 二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较 课时对点练 三、能源是有限的 内容索引 3 热力学第二定律 一 4 一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？这说明了什么？ 答案　不能，说明扩散有方向性。 1.热现象的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的，即与热现象有关的宏观自然过程有 性。 2.热力学第二定律的克劳修斯表述： 热量不能 地从 温物体传到 温物体。阐述的是传热的 性。 梳理与总结 不可逆 方向 自发 低 高 方向 3.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 变成工作物质的 ；第二个阶段是工作物质对外 ，把自己的内能变成 。 ②热机用于做功的热量一定 它从高温热库吸收的热量，即W Q。 (2)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 ，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) 化学能 内能 做功 机械能 小于 < 完全变成功 4.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是 (选填“等价”或“不等价”)的。 5.热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的 。 等价 方向性 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”？ 思考与讨论 答案　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给低温物体，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给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。 2.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？ 答案　不是，热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。 (2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用于做功？ 答案　不能，热机工作时只能将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热库。 (1)只要满足能量守恒定律的物理过程都能实现。(　　) (2)由热力学第二定律可知热量不可能从低温物体传到高温物体。 (　　) (3)不可能从单一热库吸收热量，使之全部变成功。(　　) × × × 易错辨析 (多选)(2023·金华市高二期中)下列说法中正确的是 A.不可能从单一热源吸热使之完全转换为有用功而不引起其他变化 B.从单一热源吸热并全部转化为功是可能的 C.热量可以从低温物体传向高温物体 D.如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到100% 例1 √ √ √ 根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热使之完全转换为有用功而不引起其他变化，选项A正确； 若产生其他影响，从单一热源吸热并全部转化为功是可能的，例如理想气体经历恒温膨胀过程，选项B正确； 在外界影响下，热量可以从低温物体传向高温物体，选项C正确； 热机效率无法达到100%，D错误。 (多选)地球上有很多的海水，其总质量约为1.4×1018 t，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023 J的热量。有人曾设想利用海水放出的热量，将其完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，关于其原因，下列说法正确的是 A.内能不能转化成机械能 B.内能转化成机械能不满足热力学第一定律 C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二 定律 D.机械能可全部转化为内能，内能不可能全部转化为机械能，同时不引 起其他变化 例2 √ √ 内能可以转化成机械能，如热机，故A错误； 内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，也可以说符合能量守恒定律，故B错误； 根据热力学第二定律可知，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，故C、D正确。 总结提升 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库吸收热量，使之完全用来做功，但都不是自发地或都产生了其他影响。 返回 热力学第一定律和热力学第二定律的比较 二 18   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 1.热力学两定律的比较 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 　(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 例3 B C 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。 返回 能源是有限的 三 23 1.能源：具有 的容易利用的储能物质。 2.能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中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”。 3.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， 减少了。 高品质 能源 如图所示是两幅宣传节约能源的图片。请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？ 思考与讨论 答案　能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，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能量。 　 (多选)(2023·金华市高二期中)关于能量和能量耗散，下列说法正确的是 A.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性 B.能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的 C.大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源 D.能量之间可以相互转化，故能源循环利用很方便 例4 √ √ √ 能量守恒定律是普遍规律，能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发过程具有方向性，耗散过程中能量也是守恒的，故A正确； 能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的，如煤炭和石油燃烧会造成空气污染和温室效应，故B正确； 常规能源的利用比新能源的利用对环境影响大，C正确； 能量之间可以相互转化，但是这种转化有方向性，耗散的能量很难再收集起来重新利用，故D错误。 返回 课时对点练 四 28 考点一　对热力学第二定律的理解 1.(多选)下列哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律 A.常温下一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热 B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能而不引起其他变化 C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、 水自动分离 D.在夏天，制冰机通电后使水结成冰块 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 基础对点练 √ 12 √ 选项A、B都违背了热力学第二定律，都不能发生。 选项C中系统的势能减少了，选项D中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，均能发生。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2.(多选)下列说法中正确的是 A.一切涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性 B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C.由自然过程的方向性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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 自然界中一切涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性，故A正确； 一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，所以不违背能量守恒定律的物理过程不一定都是可以实现的，故B错误； 根据热力学第二定律，一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，所以可以由自然过程的方向性判断物理过程能否自发进行，故C正确； 根据热力学第二定律，一部分物理过程可以自发进行，故D错误。 12 3.(2023·湖州市高二期末)下列现象或说法中，符合能量守恒定律但违反热力学第二定律的是 A.夏天空调通电后能持续把室内的热量传到温度更高的室外 B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能 C.人类开发了潮汐发电技术，所获得的电能是由海水的机械能转化来的 D.一杯热茶自然放置，茶水会慢慢冷却 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 空调通电后把室内的热量传到温度更高的室外，此过程中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，能发生，故A正确，与题意不符； 蒸汽机的能量损失不可避免，不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，违背了热力学第二定律，不能发生，故B错误，与题意相符； 人类开发了潮汐发电技术，所获得的电能是由海水的机械能转化来的，不违背热力学第二定律，能发生，故C正确，与题意不符； 热传递具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，故一杯热茶自然放置，茶水会慢慢冷却，不违背热力学第二定律，故D正确，与题意不符。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4.(多选)(2023·金华市第一中学月考)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一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减小 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” 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 一定质量的理想气体经历一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。 12 5.(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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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。 考点二　能源与能量耗散 6.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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 7.(多选)(2023·宁波市慈溪中学)把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程，即原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升，这样的现象我们从来没看到过。燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明 A.在能源的利用过程中，能量会减少，能量守恒定律不成立 B.我们在利用能源时，能量会耗散，自然界可利用的能源会越来越少 C.与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性 D.自然界中发生的能量转化都是不可逆的，各种能量最终都会转化为内能 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 √ 在能源的利用过程中，能量在数量上不会减少，能量守恒定律依然成立，但是能量会发生耗散，在可利用的品质上会降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，自然界可利用的能源会越来越少，故A错误，B正确； 与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性，故C正确； 自然界中发生的能量转化在自发情况下都是不可逆的，但在其他外在条件介入的情况下可以发生逆过程；能量的转移和转化具有方向性，各种能量最终都会转化为内能，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 8.(多选)下列有关热力学第二定律的说法正确的是 A.气体自发地扩散运动总是向着更为无序的方向进行，是不可逆过程 B.能源危机说明自然界的总能量在不断减少 C.水的温度自动下降时，释放的内能可以自发地全部转化为机械能 D.物体从高温热库吸收热量后，内能可能变少 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ √ 12 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 气体自发地扩散运动总是向着无序的方向进行，是不可逆的过程，故A正确； 根据能量守恒定律可知自然界的能量总量不会减少，故B错误； 水的温度自动下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能，故C错误； 改变物体内能方式有传热和做功，所以当物体吸收热量后对外做功的情况下内能可能变少，故D正确。 12 9.如图所示，水平横置汽缸内封闭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，活塞与汽缸壁之间无摩擦，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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 由于汽缸壁是导热的，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，气体有足 够时间与外界进行传热，汽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且内能不变，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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10.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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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Q1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 11.(多选)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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 √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.(2024·宁波市慈溪中学高二月考)气闸舱是空间站中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理如图所示。座舱A与气闸舱B间装有阀门K，A中充满气体，B内为真空。航天员由太空返回到B时，将B封闭，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统保持温度不变，舱内气体可视为理想气体，不考虑航天员的影响，则此过程中 A.气体膨胀做功，内能减小 B.气体从外界吸收热量 C.气体分子在单位时间内对A舱壁单位面积碰撞的次数减少 D.一段时间后，A内气体的密度可以自发地恢复到原来的密度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 尖子生选练 √ 12 由于系统温度保持不变，所以气体内能不变，即ΔU=0，气闸舱B内为真空，打开阀门K，A内的气体自由扩散，该过程气体不做功，根据热力学第一定律ΔU=W+Q，可知Q=0，即不吸 热也不放热，故A、B错误； 气体体积增大，则气体分子密集程度减小，温度不变，分子的平均动能不变，则气体分子在单位时间内对A舱壁单位面积碰撞的次数减少，故C正确； 根据热力学第二定律可知，B中气体不能自发地退回到A中，即A内气体的密度不可能自发地恢复到原来的密度，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 返回 12 $ 4　热力学第二定律 ［学习目标］　1.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(重点)。2.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题(难点)。3.理解能量耗散，知道能源是有限的。 一、热力学第二定律 一滴黑色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变黑。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？这说明了什么？ 答案　不能，说明扩散有方向性。 1.热现象的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即与热现象有关的宏观自然过程有方向性。 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。阐述的是传热的方向性。 3.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热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W<Q。 (2)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) 4.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价(选填“等价”或“不等价”)的。 5.热力学第二定律的实质：揭示了宏观自然过程的方向性。 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”？ 答案　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给低温物体，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给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能。 2.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于做功？ 答案　(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，热机工作时只能将从高温热库吸收热量的一部分用来做功，剩余的部分释放到低温热库。 (1)只要满足能量守恒定律的物理过程都能实现。(　×　) (2)由热力学第二定律可知热量不可能从低温物体传到高温物体。(　×　) (3)不可能从单一热库吸收热量，使之全部变成功。(　×　) 例1　(多选)(2023·金华市高二期中)下列说法中正确的是(　　) A.不可能从单一热源吸热使之完全转换为有用功而不引起其他变化 B.从单一热源吸热并全部转化为功是可能的 C.热量可以从低温物体传向高温物体 D.如果没有摩擦、漏气等，热机效率可以达到100% 答案　ABC 解析　根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热使之完全转换为有用功而不引起其他变化，选项A正确；若产生其他影响，从单一热源吸热并全部转化为功是可能的，例如理想气体经历恒温膨胀过程，选项B正确；在外界影响下，热量可以从低温物体传向高温物体，选项C正确；热机效率无法达到100%，D错误。 例2　(多选)地球上有很多的海水，其总质量约为1.4×1018 t，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023 J的热量。有人曾设想利用海水放出的热量，将其完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，关于其原因，下列说法正确的是(　　) A.内能不能转化成机械能 B.内能转化成机械能不满足热力学第一定律 C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二定律 D.机械能可全部转化为内能，内能不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 答案　CD 解析　内能可以转化成机械能，如热机，故A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，也可以说符合能量守恒定律，故B错误；根据热力学第二定律可知，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，故C、D正确。 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库吸收热量，使之完全用来做功，但都不是自发地或都产生了其他影响。 二、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 例3　(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。 三、能源是有限的 1.能源：具有高品质的容易利用的储能物质。 2.能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中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”。 3.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，能源减少了。 如图所示是两幅宣传节约能源的图片。请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？ 答案　能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，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能量。 例4　(多选)(2023·金华市高二期中)关于能量和能量耗散，下列说法正确的是(　　) A.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中自发过程的方向性 B.能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的 C.大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源 D.能量之间可以相互转化，故能源循环利用很方便 答案　ABC 解析　能量守恒定律是普遍规律，能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发过程具有方向性，耗散过程中能量也是守恒的，故A正确；能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的，如煤炭和石油燃烧会造成空气污染和温室效应，故B正确；常规能源的利用比新能源的利用对环境影响大，C正确；能量之间可以相互转化，但是这种转化有方向性，耗散的能量很难再收集起来重新利用，故D错误。 课时对点练　［分值：60分］ 1~7题每题4分，共28分 考点一　对热力学第二定律的理解 1.(多选)下列哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律(　　) A.常温下一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热 B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能而不引起其他变化 C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D.在夏天，制冰机通电后使水结成冰块 答案　CD 解析　选项A、B都违背了热力学第二定律，都不能发生。选项C中系统的势能减少了，选项D中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，均能发生。 2.(多选)下列说法中正确的是(　　) A.一切涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性 B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C.由自然过程的方向性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 答案　AC 解析　自然界中一切涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性，故A正确；一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，所以不违背能量守恒定律的物理过程不一定都是可以实现的，故B错误；根据热力学第二定律，一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，所以可以由自然过程的方向性判断物理过程能否自发进行，故C正确；根据热力学第二定律，一部分物理过程可以自发进行，故D错误。 3.(2023·湖州市高二期末)下列现象或说法中，符合能量守恒定律但违反热力学第二定律的是(　　) A.夏天空调通电后能持续把室内的热量传到温度更高的室外 B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能 C.人类开发了潮汐发电技术，所获得的电能是由海水的机械能转化来的 D.一杯热茶自然放置，茶水会慢慢冷却 答案　B 解析　空调通电后把室内的热量传到温度更高的室外，此过程中消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，能发生，故A正确，与题意不符； 蒸汽机的能量损失不可避免，不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，违背了热力学第二定律，不能发生，故B错误，与题意相符； 人类开发了潮汐发电技术，所获得的电能是由海水的机械能转化来的，不违背热力学第二定律，能发生，故C正确，与题意不符； 热传递具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，故一杯热茶自然放置，茶水会慢慢冷却，不违背热力学第二定律，故D正确，与题意不符。 4.(多选)(2023·金华市第一中学月考)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一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减小 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一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。 5.(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。 考点二　能源与能量耗散 6.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。 7.(多选)(2023·宁波市慈溪中学)把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程，即原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升，这样的现象我们从来没看到过。燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明(　　) A.在能源的利用过程中，能量会减少，能量守恒定律不成立 B.我们在利用能源时，能量会耗散，自然界可利用的能源会越来越少 C.与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性 D.自然界中发生的能量转化都是不可逆的，各种能量最终都会转化为内能 答案　BC 解析　在能源的利用过程中，能量在数量上不会减少，能量守恒定律依然成立，但是能量会发生耗散，在可利用的品质上会降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，自然界可利用的能源会越来越少，故A错误，B正确； 与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性，故C正确； 自然界中发生的能量转化在自发情况下都是不可逆的，但在其他外在条件介入的情况下可以发生逆过程；能量的转移和转化具有方向性，各种能量最终都会转化为内能，故D错误。 8~11题每题6分，共24分 8.(多选)下列有关热力学第二定律的说法正确的是(　　) A.气体自发地扩散运动总是向着更为无序的方向进行，是不可逆过程 B.能源危机说明自然界的总能量在不断减少 C.水的温度自动下降时，释放的内能可以自发地全部转化为机械能 D.物体从高温热库吸收热量后，内能可能变少 答案　AD 解析　气体自发地扩散运动总是向着无序的方向进行，是不可逆的过程，故A正确；根据能量守恒定律可知自然界的能量总量不会减少，故B错误；水的温度自动下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能，故C错误；改变物体内能方式有传热和做功，所以当物体吸收热量后对外做功的情况下内能可能变少，故D正确。 9.如图所示，水平横置汽缸内封闭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，活塞与汽缸壁之间无摩擦，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　由于汽缸壁是导热的，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，气体有足够时间与外界进行传热，汽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且内能不变，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。 10.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Q1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。 11.(多选)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。 (8分) 12.(2024·宁波市慈溪中学高二月考)气闸舱是空间站中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理如图所示。座舱A与气闸舱B间装有阀门K，A中充满气体，B内为真空。航天员由太空返回到B时，将B封闭，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统保持温度不变，舱内气体可视为理想气体，不考虑航天员的影响，则此过程中(　　) A.气体膨胀做功，内能减小 B.气体从外界吸收热量 C.气体分子在单位时间内对A舱壁单位面积碰撞的次数减少 D.一段时间后，A内气体的密度可以自发地恢复到原来的密度 答案　C 解析　由于系统温度保持不变，所以气体内能不变，即ΔU=0，气闸舱B内为真空，打开阀门K，A内的气体自由扩散，该过程气体不做功，根据热力学第一定律ΔU=W+Q，可知Q=0，即不吸热也不放热，故A、B错误；气体体积增大，则气体分子密集程度减小，温度不变，分子的平均动能不变，则气体分子在单位时间内对A舱壁单位面积碰撞的次数减少，故C正确；根据热力学第二定律可知，B中气体不能自发地退回到A中，即A内气体的密度不可能自发地恢复到原来的密度，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $