第3、4節熱力學第二定律熵——系統無序程度的量度核心素養點擊物理觀念1.了解熱力學第二定律的內涵。2.知道自然界宏觀過程的方向性。3.了解熵的概念和熵增加原理。4.了解能量與能源的區別以及能源的有限性。科學思維1.知道與熱現象有關的宏觀過程的方向性。2.能用熱力學第二定律解釋常見的不可逆過程。科學態度與責任能依據道德規范評價物理技術的應用，具有保護環境、節約資源、促進可持續發展的責任感。1．填一填(1)可逆過程和不可逆過程①可逆過程：一個系統由某一狀態出發，經過某一過程到達另一狀態，如果存在另一過程，它能使

和

完全復原，即系統回到原來的狀態，同時消除原來過程對外界的一切影響，則

過程稱為可逆過程。②不可逆過程：如果用任何方法都不能使

與

完全復原，則原來的過程稱為不可逆過程。系統外界原來的系統外界(2)熱傳導的方向性①熱量可以自發地由

物體傳給

物體，或者由物體的

部分傳給____部分。②熱量不能自發地由

物體傳給

物體，或者由物體的

部分傳給____部分。③熱傳遞是

過程，具有

。(3)功和熱相互轉化的方向性①功轉化為熱這一熱現象是

的，具有

。②熱轉化為功這一熱現象也是

的，具有

。(4)結論：凡是與

有關的宏觀過程都具有

。高溫低溫高溫低溫低溫高溫低溫高溫不可逆方向性不可逆方向性不可逆方向性熱現象方向性2．判一判(1)溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會自發地從高溫物體傳給低溫物體。

(

)(2)一切與熱現象有關的微觀自然過程都是不可逆的。

(

)(3)在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體。

(

)3．想一想兩個不同的物體接觸時，熱量會自發地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發地”的含義是什么？提示：“自發地”的含義是沒有任何外界影響或者其他幫助。√×√1．填一填(1)克勞修斯表述：不可能使熱量從

傳向

而不引起其他變化。(說明熱傳導的方向性)(2)開爾文表述：不可能從

吸取熱量，使之完全用來

而不引起其他變化。(說明機械能與內能轉化的方向性)(3)第二類永動機不可能制成①第二類永動機是指人們設想的從單一熱源吸取

并使之完全轉化為功而不產生其他變化的機器。②熱力學第二定律也可以表述為：第二類永動機是

實現的。低溫物體高溫物體單一熱源做功熱量不可能2．判一判(1)熱量不能自發地從低溫物體傳向高溫物體。

(

)(2)第二類永動機違反了能量守恒定律。

(

)(3)只要對內燃機不斷改進，就可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能。(

)√××3．想一想我們假想：發明一種熱機，并用來對物體做功，將內能全部轉化為動能，而不引起其他變化。這是否可能？提示：熱機不能把它得到的內能全部轉化為機械能，因為熱機必須有熱源和冷凝器，熱機工作時，總要向冷凝器放熱，不可避免地要由工作物質帶走一部分熱量Q，即使是理想熱機，沒有摩擦，沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉化為機械能，總要有一部分熱量散發到冷凝器中。1．填一填(1)有序和無序：一個系統的個體按確定的

，有順序地排列即有序；對個體的分布沒有確定的要求，“怎樣分布都可以”即無序。(2)熱力學第二定律的微觀本質：與熱現象有關的自然發生的宏觀過程總是沿著大量分子熱運動無序程度

的方向進行。(3)熵：用來量度系統

的物理量。(4)熵增加原理：在孤立系統中的宏觀過程必然朝著

的方向進行。(5)熵與能量退降：在熵增加的同時，一切不可逆過程總是使得能量從

狀態轉化為

狀態，即能量的品質退化了。某種規則增大無序程度熵增加可利用不可利用2．判一判(1)對任何一件事物，如果規定得越多，限制越多，它的無序性就越大。

(

)(2)熵值越大，意味著系統越“整齊”和“集中”，也就是越有序。

(

)(3)能量退降使能量的總量減少，違背了能量守恒定律。

(

)×××3．想一想成語“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不可能再倒回盆中的，請從不同宏觀態所對應的微觀態數目不同這個角度，解釋為什么水不會自發地聚到盆中。提示：由于盆的形狀確定，水在盆中所處的宏觀態對應的微觀態數目少，較為有序。當把水潑出后，它的形狀不受盆的限制，各種可能的形狀都有，此時所處的宏觀態對應的微觀態數目將變得非常多，較為無序。因為自發的宏觀過程總是從有序向無序發展，所以水不會自發地聚到盆中。如圖是熱量在傳遞過程中的情景。

討論：(1)在自然過程中熱量是如何傳遞的？提示：熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調和冰箱是如何傳遞熱量的？提示：空調和冰箱可以通過電機做功，把熱量從溫度比較低的房間內或冰箱內傳遞到房間外或冰箱外。

[重難釋解]1．對熱力學第二定律的理解(1)“不引起其他變化”——外界不需要做功，或者熱量全部轉變為功，而外界及系統都不發生任何變化。(2)“單一熱源”——指溫度恒定而均勻的熱源。若一熱源各部分溫度不相同或者溫度不穩定，則構成機器的工作物質可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功。據報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發電。(3)“不可能”——實際上熱機或制冷機系統循環終了時，除了從單一熱源吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫熱源傳到高溫熱源以外，過程所產生的其他一切影響，不論用任何的辦法都不可能加以消除。2．熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。3．熱力學過程方向性實例4．熱力學第二定律的其他表述(1)一切涉及熱現象的宏觀自然過程都具有方向性。(2)第二類永動機是不可能實現的。[解析]在一與外界絕熱的房間內，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，消耗了電能，產生了焦耳熱，所以房間溫度不僅不能降低還會升高，故A不可能發生；蒸汽機不可能把蒸汽的內能全部轉化為機械能，轉化過程中必然存在能量耗散，故B不可能發生；一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉化為內能，C可能發生；在熱傳導中，熱量可以自發地從高溫物體傳向低溫物體，D可能發生。[答案]

AB對熱力學第二定律理解的兩個誤區(1)誤認為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體，不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，也可以由低溫物體傳到高溫物體；但是，前者可以自發完成，而后者則必須有外界參與。(2)誤認為機械能可以完全轉化為內能，而內能不能完全轉化為機械能。機械能可以完全轉化為內能，內能也可以完全轉化為機械能；但是，前者可以不產生其他影響，而后者一定會產生其他影響。[素養訓練]1．(多選)下列說法正確的是

(

)A．一切涉及熱現象的宏觀自然過程都具有方向性B．一切不違背能量守恒定律的物理過程都是可能實現的C．由熱力學第二定律可以判斷涉及熱現象的物理過程能否自發進行D．一切物理過程都不可能自發地進行解析：由熱力學第二定律知，一切涉及熱現象的宏觀自然過程都是具有方向性的，A正確；第二類永動機不違背能量守恒定律，但是不能實現，B錯誤；在熱傳遞過程中，熱量可以自發地從高溫物體傳到低溫物體，但其逆過程不可能自發地進行，C正確，D錯誤。答案：AC

2．關于永動機和熱力學定律，下列敘述正確的是

(

)A．第二類永動機違背能量守恒定律B．如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內能一定增加C．外界對物體做功，則物體的內能一定增加D．做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，但從能量轉化或轉移的觀點來看，這兩種改變方式是有區別的解析：第二類永動機違背了熱力學第二定律，并不違背能量守恒定律，故A錯誤；據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W知，內能的變化由做功和熱傳遞兩個方面共同決定，只知道做功情況或只知道傳熱情況無法確定內能的變化情況，故B、C錯誤；做功和熱傳遞都可改變物體內能，但做功是不同形式能的轉化，而熱傳遞是同種形式能的轉移，這兩種方式是有區別的，故D正確。答案：D

3．(多選)根據熱力學第二定律，可知下列說法正確的是

(

)A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C．機械能可以全部轉化為熱能，但熱能不可能全部轉化為機械能D．機械能可以全部轉化為熱能，熱能也可能全部轉化為機械能解析：由熱力學第二定律克勞修斯表述知，熱量可以自發地從高溫物體傳給低溫物體，當外界對系統做功時，也可以使熱量從低溫物體傳到高溫物體，冰箱就是這樣的裝置，故A錯誤，B正確；機械能可以全部轉化為內能，如在水平地面上運動的物體，克服摩擦阻力做功，最終靜止，這個過程中機械能全部轉化為內能，當外界條件發生變化時，內能也可以全部轉化為機械能，如在等溫膨脹過程中，系統吸收的熱量全部轉化為對外界做的功，故C錯誤，D正確。答案：BD

交通與工業廢氣及噪聲對環境的污染；工業和生活垃圾、廢水對環境的污染；交通擁擠和堵塞造成的道路混亂。以上現象中的熵是怎么變化的？提示：熵增加。

[重難釋解]1．熵和熵增加原理(1)熵是反映系統無序程度的物理量，正如溫度反映物體內分子平均動能大小一樣。系統越混亂，無序程度越大，就稱這個系統的熵越大。(2)系統自發變化時，總是向著無序程度增加的方向發展，至少無序程度不會減少。也就是說，系統自發變化時，總是由熱力學概率小的狀態向熱力學概率大的狀態進行。從熵的意義上來說，系統自發變化時，總是向著熵增加的方向發展，不會使熵減小。(3)任何宏觀物質系統都有一定量的熵，熵也可以在系統的變化過程中產生或傳遞。2．熱力學第二定律的微觀意義(1)熱力學第二定律揭示了涉及熱現象的一切宏觀自然過程都只能在一個方向上發生，而不會可逆地在相反的方向上出現。它指出在能量得以平衡的眾多過程中，哪些可能發生，哪些不可能發生。(2)自然界涉及熱現象的一切宏觀過程都是不可逆的，宏觀自發過程的這種方向性(熵增加的方向)，也就成為時間的方向性。所以，“熵”又常常被稱為“時間箭頭”。[解析]熵是物體內分子運動無序程度的量度，系統內分子運動越無序，熵值越大，故A、C正確；對孤立系統而言，一個自發的過程中熵總是向增加的方向進行，故B錯誤；能量退降是指能量的可利用率越來越低，但能量仍然是守恒的，故D錯誤。[答案]

AC熵的幾點注意事項(1)熵是表示一個體系自由度的物理量。熵越大，表示在這個體系下的自由度越大，可能達到的狀態越多。(2)熵不是守恒的量，在孤立體系中經過一個不可逆過程，熵總是增加的。

(3)熵改變的過程中，能量必然是守恒的。(4)一個孤立系統的自然可逆過程中，總熵不變。[素養訓練]1．(多選)關于熱力學第二定律的微觀意義，下列說法正確的是

(

)A．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律B．一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性減小的方向進行C．有的自然過程沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，有的自然過程沿著分子熱運動無序性減小的方向進行D．在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵不會減小解析：從熱力學第二定律的微觀本質看，一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行，我們知道熱力學第二定律是一個統計規律，故A正確，B、C錯誤；任何自然過程總是朝著無序程度增大的方向進行，也就是朝著熵增加的方向進行，故D正確。答案：AD

2．(多選)下列說法中不正確的是

(

)A．在任何自然過程中，一切參與者的總能量和總熵保持不變B．熵無處不在，是系統有序程度的量度C．一切不可逆過程在熵增加的同時，總是伴隨著能量退降D．由熱力學第二定律可知，自然界的能量品質正在退化，可利用的能量越來越少解析：在任何自然過程中由能量守恒可知，一切參與者的總能量保持不變，由熵增加原理知熵增加，故A錯誤；熱力學系統的每一個過程，都有一個熵值，它是用來量度系統無序程度的物理量，故B錯誤；熵增加的同時，一切不可逆過程總是使能量逐漸喪失做功的本領，從可用狀態轉化為不可用狀態，使可利用的能量越來越少，故C、D正確。答案：AB

一、培養創新意識和創新思維(選自人教版新教材課后練習)以下哪些現象能夠發生、哪些不能發生？能夠發生的現象是否違背熱力學第二定律？(1)一杯熱茶自然放置，茶會自動變得更熱。(2)蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能。(3)桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離。(4)電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體。提示：(1)不能發生。因為熱傳遞具有方向性。(2)不能發生。因為能量轉化具有方向性。(3)能發生。不違背熱力學第二定律。(4)能發生。該過程是通過壓縮機做功實現熱量從低溫物體傳到高溫物體，不違背熱力學第二定律。二、注重學以致用和思維建模1.17世紀70年代，英國賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設計了一種磁力“永動機”，其結構如圖所示，在斜面頂端放一塊強磁鐵M，斜面上、下端各有一個小孔P、Q，斜面下有一個連接兩小孔的彎曲軌道。維爾金斯認為：如果在斜坡底放一個鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會沿斜面向上運動，當球運動到P孔時，它會漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時球具有速度所以可以對外做功，然后鐵球又被磁鐵吸引回到上端，到P處又漏下……對于這個設計，下列判斷正確的是

(

)A．滿足能量守恒定律，所以可行B．不滿足熱力學第二定律，所以不可行C．不滿足機械能守恒定律，所以不可行D．不滿足能量守恒定律，所以不可行解析：該裝置可以持續不斷地對外做功，違背了能量守恒定律，故不可行，D正確。答案：D

2．(多選)如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內外的管道中不斷循環。在蒸發器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量，經過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是

(

)A．熱量可以自發地從冰箱內傳到冰箱外B．電冰箱消耗電能，其制冷系統能夠不斷地把冰箱