第4節(jié)熱力學第二定律1.克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。2．開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。3．熱機的效率：熱機輸出的機械功W與燃料產(chǎn)生的熱量Q的比值，即η＝eq\f(W,Q)，W<Q，熱機的效率不可能達到100%。4．第二類永動機不可能制成。一、自然過程的方向性1．熱傳導具有方向性：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而低溫物體不可能自發(fā)地將熱量傳給高溫物體，要實現(xiàn)低溫物體向高溫物體傳遞熱量，必須借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其他影響或引起其他變化。2．氣體的擴散現(xiàn)象具有方向性：兩種不同的氣體可以自發(fā)地進入對方，最后成為均勻的混合氣體，但這種均勻的混合氣體，決不會自發(fā)地分開而成為兩種不同的氣體。3．機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性：物體在水平面上運動，因摩擦而逐漸停止下來，但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后，在地面上重新運動起來。4．氣體向真空膨脹具有方向性：氣體可自發(fā)地向真空容器膨脹，但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出，容器變?yōu)檎婵铡?．一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。6．熱力學第二定律：反映宏觀自然過程的方向性的定律。二、熱力學第二定律的兩種表述1．克勞修斯表述熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，這就是熱力學第二定律的克勞修斯表述，闡述的是熱傳遞的方向性。2．開爾文表述不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。(即機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化具有方向性)3．對熱力學第二定律的理解熱力學第二定律的兩種表述是等價的，也可以表述為：氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。4．第二類永動機(1)定義：只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C。(2)第二類永動機不可能制成的原因：雖然第二類永動機不違反能量守恒定律，但大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱庫，熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓Γ筒豢杀苊獾貙⒁徊糠譄崃總鹘o低溫熱庫。1．自主思考——判一判(1)溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體。(×)(2)第二類永動機違反了熱力學第二定律。(√)(3)熱機的效率可以達到100%。(×)(4)一切與熱現(xiàn)象有關的微觀自然過程都是不可逆的。(×)(5)第二類永動機違反了能量守恒定律。(×)(6)只要對內(nèi)燃機不斷改進，就可以把內(nèi)燃機得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。(×)2．合作探究——議一議(1)溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會從低溫物體傳給高溫物體嗎？提示：會。溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，要使熱量從低溫物體傳給高溫物體，必須借助其他幫助，如電冰箱的工作。(2)兩個不同的物體接觸時，熱量自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發(fā)地”的含義是什么？提示：“自發(fā)地”的含義是指沒有任何外界影響或者其他幫助。(3)我們假想：發(fā)明一種熱機，并用來對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)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(nèi)能全部轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)化為機械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。對熱力學第二定律的理解1．在熱力學第二定律的表述中，“自發(fā)地”、“不產(chǎn)生其他影響”、“單一熱庫”、“不可能”的涵義(1)“自發(fā)地”是指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性。在傳遞過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體提供能量等。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。(3)“單一熱庫”：指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)。若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構成機器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功。據(jù)報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。(4)“不可能”：實際上熱機或制冷機系統(tǒng)循環(huán)終了時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫以外，過程所產(chǎn)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(zhì)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(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。3．熱力學過程方向性實例(1)高溫物體eq\o(,\s\up7(熱量Q能自發(fā)傳給),\s\do5(熱量Q不能自發(fā)傳給))低溫物體(2)功eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為),\s\do5(不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為))熱(3)氣體體積V1eq\o(,\s\up7(能自發(fā)膨脹到),\s\do5(不能自發(fā)收縮到))氣體體積V2(較大)(4)不同氣體A和Beq\o(,\s\up7(能自發(fā)混合成),\s\do5(不能自發(fā)分離成))混合氣體AB4．熱力學第二定律的其他描述(1)一切宏觀自然過程的進行都具有方向性。(2)氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。(3)第二類永動機是不可能制成的。1．下列說法正確的是()A．機械能全部變成內(nèi)能是不可能的B．第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式C．根據(jù)熱力學第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體D．從單一熱源吸收的熱量全部變?yōu)楣κ强赡艿慕馕觯哼xD機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A項錯誤；第二類永動機不可能制造成功是因為它違背了熱力學第二定律，故B項錯誤；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但如果不是自發(fā)地，是可以進行的，故C項錯誤；從單一熱源吸收熱量全部用來做功而不引起其他變化，是不可能的，但如果是從單一熱源吸收熱量全部變?yōu)楣Φ耐瑫r也引起了其他的變化，是可能的，故D項正確。2．[多選]關于熱力學定律，下列說法正確的是()A．為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或向它傳遞熱量B．對某物體做功，必定會使該物體的內(nèi)能增加C．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體E．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程解析：選ACE改變內(nèi)能的方法有做功和熱傳遞兩種，所以為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或向它傳遞熱量，A項正確；對物體做功的同時物體向外界放熱，則物體的內(nèi)能可能不變或減小，B項錯誤；根據(jù)熱力學第二定律可知，在對外界有影響的前提下，可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Γ珻項正確；在有外界做功的條件下，可以使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，D項錯誤；根據(jù)熱力學第二定律可知，E項正確。熱力學第二定律與熱力學第一定律比較1．熱力學第一定律與熱力學第二定律的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別熱力學第一定律揭示了做功和傳熱對改變物體內(nèi)能的規(guī)律關系ΔU＝W＋Q，指明內(nèi)能不但可以轉(zhuǎn)移，而且還能跟其他形式的能相互轉(zhuǎn)化。熱力學第一定律是能量守恒定律在熱學中的一種表述形式，是從能的角度揭示不同物質(zhì)運動形式相互轉(zhuǎn)化的可能性熱力學第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性。如機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化，進一步揭示了各種能量轉(zhuǎn)化過程及物質(zhì)運動形式的轉(zhuǎn)化過程都具有方向性聯(lián)系熱力學第一定律是和熱現(xiàn)象有關的物理過程中能量守恒的特殊表達形式，說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關系，而熱力學第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實現(xiàn)的條件和過程進行的方向，指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響，所以二者相互獨立，又相互補充2．兩類永動機的比較第一類永動機第二類永動機設計要求不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)不可能的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學第二定律1．[多選](2016·全國卷Ⅰ)關于熱力學定律，下列說法正確的是()A．氣體吸熱后溫度一定升高B．對氣體做功可以改變其內(nèi)能C．理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D．熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E．如果兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)達到熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定達到熱平衡解析：選BDE根據(jù)熱力學定律，氣體吸熱后如果對外做功，則溫度不一定升高，說法A錯誤。改變物體內(nèi)能的方式有做功和傳熱，對氣體做功可以改變其內(nèi)能，說法B正確。理想氣體等壓膨脹對外做功，根據(jù)eq\f(pV,T)＝恒量知，膨脹過程一定吸熱，說法C錯誤。根據(jù)熱力學第二定律，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，說法D正確。兩個系統(tǒng)達到熱平衡時，溫度相等，如果這兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)達到熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定達到熱平衡，說法E正確。2．關于兩類永動機和熱力學兩大定律，下列說法正確的是()A．第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第一定律B．第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第二定律C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，熱傳遞也不一定改變內(nèi)能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內(nèi)能D．由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫吸收熱量，完全變成功也是可能的解析：選D第一類永動機違反熱力學第一定律，第二類永動機違反熱力學第二定律，A、B錯；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯；由熱力學第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但不引起其他變化是不可能的，D對。3．[多選]根據(jù)熱力學第二定律，可知下列說法中正確的是()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(zhuǎn)化為熱能，但熱能不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能D．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，熱能也可能全部轉(zhuǎn)化為機械能解析：選BD由熱力學第二定律克勞修斯表述知，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，當外界對系統(tǒng)做功時，也可以使系統(tǒng)從低溫物體吸取熱量傳到高溫物體，冰箱就是這樣的裝置，故A錯誤，B正確。機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)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(zhuǎn)化為內(nèi)能，當外界條件發(fā)生變化時，內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，如在等溫膨脹過程中，系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外界做的功，故C錯誤，D正確。1．[多選]關于熱力學第二定律，下列說法正確的是()A．熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體B．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體C．從單一熱庫吸收熱量，可以使之完全變成功D．氣體向真空自由膨脹的過程是不可逆過程E．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是可逆過程解析：選ACD根據(jù)熱力學第二定律知，熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，故A正確。在外界的影響下，能使熱量從低溫物體傳向高溫物體，如空調(diào)，故B錯誤。根據(jù)熱力學第二定律：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉?，而不產(chǎn)生其他影響，可知在外界的作用下，從單一熱庫吸收熱量，可以使之完全變成功，故C正確。所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都有方向性，則知氣體向真空自由膨脹的過程是不可逆過程，故D正確。功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程，故E錯誤。2．[多選]根據(jù)熱力學第二定律，下列判斷正確的有()A．熱機中燃氣的內(nèi)能不可能全部變成機械能B．電流的能不可能全部變成內(nèi)能C．在火力發(fā)電機中，燃氣的內(nèi)能不可能全部變成電能D．在熱傳導中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體解析：選ACD凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀熱現(xiàn)象都具有方向性。無論采用任何設備和手段進行能量轉(zhuǎn)化，總是遵循“機械能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能”，故A正確。由電流熱效應中的焦耳定律可知，電流的能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故B錯誤?；鹆Πl(fā)電機發(fā)電時，能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能→機械能→電能，因為內(nèi)能→機械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內(nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔埽珻正確。熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進行，必須借助外界的幫助，結(jié)果會帶來其他影響，這正是熱力學第二定律第一種表述的主要思想，故D正確。3.如圖所示，汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體，汽缸壁是導熱的，汽缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸面是光滑的，但不漏氣?，F(xiàn)將活塞與桿連接，使其緩慢地向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并對外做功。若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關，則下列說法正確的是()A．氣體是從單一熱庫吸熱，全部用來對外做功，因此此過程違反了熱力學第二定律B．氣體是從單一熱庫吸熱，但并未全部用來對外做功，所以此過程不違反熱力學第二定律C．氣體是從單一熱庫吸熱，全部用來對外做功，但此過程不違反熱力學第二定律D．以上三種說法都不對解析：選C此過程雖然是氣體從單一熱庫吸熱，全部用來對外做功，但引起了其他變化，所以此過程不違反熱力學第二定律。4．我們絕不會看到：一個放在水平地面上的物體，靠降低溫度，可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動能，使這個物體運動起來，其原因是()A．違反了能量守恒定律B．在任何條件下內(nèi)能不可能轉(zhuǎn)化成機械能，只有機械能才能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能C．機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能是有條件的D．以上說法均不正確解析：選C機械能和內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化，必須通過做功來實現(xiàn)，故C對。5．下列過程中，可能發(fā)生的是()A．某工作物質(zhì)從高溫熱源吸收20kJ的熱量，全部轉(zhuǎn)化為機械能，而沒有產(chǎn)生其他任何影響B(tài)．打開一高壓密閉容器，其內(nèi)氣體自發(fā)溢出后又自發(fā)跑進去，恢復原狀C．利用其他手段，使低溫物體溫度更低，高溫物體的溫度更高D．將兩瓶不同液體自發(fā)混合，然后又自發(fā)地各自分開解析：選C根據(jù)熱力學第二定律，熱量不可能從低溫物體自發(fā)地傳給高溫物體，而不引起其他的變化，但通過一些物理過程是可以實現(xiàn)的，故C項對；內(nèi)能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機械能是不可能的，故A項錯；氣體膨脹具有方向性，故B項錯；擴散現(xiàn)象也有方向性，D項也錯。6.[多選]如圖所示，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(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)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(fā)