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3.4熱力學第二定律
預習新課
一、熱力學第二定律
1．內容：在物理學中，反映宏觀自然過程的 性的定律．
2．熱力學第二定律的 表述：
熱量不能 地從 溫物體傳到 溫物體．闡述的是傳熱的 性．
3．熱力學第二定律的 表述：
(1)熱機①熱機工作的兩個階段：第一個階段是 ，把燃料中的 變成工作物質的 ；第二個階段是工作物質對外 ，把自己的內能變成 ．
②熱機用于做功的熱量一定 它從高溫熱庫吸收的熱量，即W Q.
(2)熱力學第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之 ，而不產生其他影響．(該表述闡述了機械能與內能轉化的方向性)．
4．熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是 的．(選填“等價”或“不等價”)
二、能源是有限的
1．能源：具有 的容易利用的儲能物質．
2．能量耗散：使用的能源轉化成內能分散在環境中不能自動聚集起來驅動機器做功，這樣的轉化過程叫作“能量耗散”．
3．能源的使用過程中雖然能的總量保持不變，但能量的品質下降了， 減少了．
隨堂練習
例1．關于自然過程中的方向性，下列說法正確的是(　　)
A．摩擦生熱的過程是可逆的
B．凡是符合能量守恒的過程一般都是可逆的
C．實際的宏觀自然過程都具有“單向性”或“不可逆性”
D．空調機既能制冷又能制熱，說明熱傳遞不存在方向性
例2．下列過程中可能發生的是(　　)
A．某種物質從高溫熱源吸收20 kJ的熱量，全部轉化為機械能，而沒有產生其他任何影響
B．打開一高壓密閉容器，其內氣體自發逸出后又自發跑進去，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．將兩瓶不同液體混合，然后它們又自發地各自分開
例3．(多選)根據熱力學第二定律可知，下列說法中正確的是(　　)
A．不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化
B．沒有冷凝器，只有單一的熱庫，能將從單一熱庫吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機是可以實現的
C．制冷系統將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中，而不引起其他變化
D．不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化
例4． (多選)對于熱力學第一定律和熱力學第二定律的理解，下列說法正確的是(　　)
A．一定質量的氣體膨脹對外做功100 J，同時從外界吸收120 J 熱量，則它的內能增加20 J
B．物體從外界吸收熱量，其內能一定增加，物體對外界做功，其內能一定減少
C．第二類永動機違反了熱力學第二定律，沒有違反熱力學第一定律
D．凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體
例5．全球受“新冠”疫情的影響，能源市場需求減少，國際原油價格一路走低．下列關于能量和能源說法正確的是(　　)
A．由于自然界的能量守恒，所以不需要節約能源
B．在利用能源的過程中，能量在數量上并未減少
C．能量耗散說明能量在轉化過程中沒有方向性
D．人類在不斷地開發和利用新能源，所以能量可以被創造
例6．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背了熱力學第一定律
B．第一類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第二定律
C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內能，熱傳遞也不一定改變內能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內能
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
例7．(多選)下列對能量耗散理解正確的是(　　)
A．能量耗散說明能量在不斷減少
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散說明能量不能憑空產生，但可以憑空消失
D．能量耗散從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性
課后鞏固
1．(多選)下列哪個過程具有方向性(　　)
A．熱傳導過程 B．內能向機械能的轉化過程
C．氣體的擴散過程 D．氣體向真空中的膨脹
2．把水和酒精混合后，用蒸發的方式又可以分開，然后液化恢復到原來的狀態，這說明(　　)
A．擴散現象沒有方向
B．將水和酒精分開時，引起了其他變化，故擴散具有方向性
C．將水和酒精分開時，并沒有引起化學變化，故擴散現象沒有方向性
D．用本題的實驗，無法說明擴散現象是否具有方向性
3．(多選)電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內部傳給溫度較高的外界空氣，說明(　　)
A．熱量能自發地從低溫物體傳到高溫物體
B．在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體
C．熱量的傳遞過程不具有方向性
D．在自發的條件下熱量的傳遞過程具有方向性
4．(多選)下列宏觀過程能用熱力學第二定律解釋的是(　　)
A．大米和小米混合后小米能自發地填充到大米空隙中，而經過一段時間大米、小米不會自動分開
B．將一滴紅墨水滴入一杯清水中，墨水會均勻擴散到整杯水中，經過一段時間，墨水和清水不會自動分開
C．冬季的夜晚，放在室外的物體隨氣溫的降低，不會將內能自發地轉化為機械能而動起來
D．即使節能減排措施的不斷完善，最終也不會使汽車熱機的效率達到100%
5．在一個與外界沒有熱交換的房間里打開冰箱門，冰箱正常工作，過一段時間房間內的溫度將如何變化(　　)
A．降低 B．升高 C．不變 D．無法確定
6．(多選)若有人想制造一種使用于輪船上的機器，它從海水中吸熱全部轉變為功，關于這種設想，下列說法正確的是(　　)
A．這種機器能造成
B．這種機器不能造成
C．這種機器違反了熱力學第一定律
D．這種機器違反了熱力學第二定律
7．下列說法正確的是(　　)
A．機械能全部變成內能是不可能的
B．第二類永動機不可能制造成功是因為能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉移到另一個物體，或從一種形式轉化成另一種形式
C．根據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成功是可能的
8．熱現象過程中不可避免地出現能量耗散的現象．所謂能量耗散是指在能量轉化的過程中無法把流散的能量重新收集并加以利用．下列關于能量耗散的說法正確的是(　　)
A．能量耗散說明能量不守恒
B．能量耗散不符合熱力學第二定律
C．能量耗散過程中能量仍守恒
D．能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程不具有方向性
9．熱力學第二定律常見的表述方式有兩種，其一：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化；其二：不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。第一種表述方式可以用圖甲來表示，根據你對第二種表述的理解，如果也用類似的示意圖來表示，你認為圖乙示意圖中正確的是(　　)
甲 乙
10．下列說法正確的是(　　)
A．第二類永動機不可能制成功的原因是違背能量守恒定律
B．熱力學第二定律可表述為所有自發的熱現象的宏觀過程都具有方向性
C．因為能量守恒，所以能源危機是不可能的
D．摩擦力做功的過程，必定有機械能轉化為內能
3.4 熱力學第二定律 參考答案
一、熱力學第二定律
1．方向．
2．克勞修斯；自發；低；高；方向。
3．開爾文：(1)①燃燒燃料，化學能 內能；做功，機械能．②小于， < .
(2)完全變成功．
4．等價
二、能源是有限的1．高品質．3．能源
隨堂練習
答案　C
解析　摩擦生熱的過程是不可逆的，故A錯誤．能量守恒具有單向性，一般是不可逆，故B錯誤；實際的宏觀過程都具有“單向性”或“不可逆性”，故C正確；空調機既能制冷又能制熱，并不能說明熱傳遞不存在方向性，而是在相反的過程中，要引起其他方面的變化，故D錯誤．
答案　C
解析　根據熱力學第二定律，熱量不可能從低溫物體自發地傳遞給高溫物體，而不引起其他的影響，但通過一些其他手段是可以實現的，故C項正確；內能轉化為機械能不可能自發地進行，要使內能全部轉化為機械能必定要引起其他變化，故A項錯誤；氣體膨脹具有方向性，故B項錯誤；擴散現象也有方向性，故D項錯誤．
答案　AD
解析　熱力學第二定律揭示了與熱現象有關的物理過程的方向性，機械能和內能的轉化過程具有方向性，機械能可以全部轉化為內能，而內能要全部轉化為機械能必須借助外部的幫助，即會引起其他變化，A選項正確，B選項錯誤；熱傳遞過程也具有方向性，熱量能自發地從高溫物體傳給低溫物體，但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體，必然要引起其他變化(外界對系統做功)，C選項錯誤，D選項正確．
答案　AC
解析　根據熱力學第一定律知，ΔU＝W＋Q＝－100 J＋120 J＝20 J，說明內能增加了20 J，故A正確；根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知ΔU>0，內能增加，ΔU<0，內能減小，ΔU的大小由W、Q共同決定，說明物體從外界吸收熱量，其內能不一定增加，物體對外界做功，其內能不一定減少，故B錯誤；第二類永動機沒有違反熱力學第一定律，不能制成是因為它違反了熱力學第二定律，故C正確；通過做功的方式可以使熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱制冷時熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，故D錯誤．
答案　B
解析　根據能量守恒定律可知，能量不會被創造，也不會憑空消失，B正確，D錯誤；由于能量傳遞具有方向性，能量耗散導致能量品質降低，所以必須節約能源，A、C錯誤．
答案　D
解析　第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機違背熱力學第二定律，A、B錯誤；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯誤；由熱力學第二定律可知選項D中的現象是可能的，但會產生其他影響，D正確．
答案　BD
解析　在發生能量轉化的宏觀過程中，其他形式的能量最終轉化為流散到周圍環境的內能，無法再回收利用，這種現象叫能量耗散．能量耗散并不違反能量守恒定律，宇宙中的能量既沒有減少，也沒有消失，它從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性，故A、C錯，B、D對．
課后鞏固
答案　ACD
解析　ACD過程都是與熱現象有關的宏觀過程，它們都具有方向性．B項機械能可以完全轉化為內能，但內能就不能自動地、并不引起任何變化地100%變為機械能。
2．答案　B
解析　從題中可明顯看出，兩者混合時是自動產生的，但兩者分離時，要先加熱后冷卻，也就是說，向分離與向混合這兩個方向的發展是可以通過過程是否自動完成、是否需要外加其他手段才能完成來區分的，因此，可以證明擴散是有方向性的，B正確，A、C、D錯誤．
3．答案　BD
解析　一切自發過程都有方向性，如熱傳遞，熱量總是由高溫物體自發地傳向低溫物體；又如擴散，氣體總是自發地由密度大的地方向密度小的地方擴散．在外界幫助下氣體可以由密度小的地方向密度大的地方擴散，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，電冰箱就是借助外界做功把熱量從低溫物體傳向高溫物體，B、D正確．
4．答案　BCD
解析　熱力學第二定律反映的是與熱現象有關的宏觀過程的方向性的規律，A不屬于熱現象，A不符合題意；由熱力學第二定律可知B、C、D符合題意．
5．答案　B
解析　冰箱消耗電能使冰箱內外發生熱交換而達到內部制冷，把冰箱與房間看成一個系統，打開冰箱門后，冰箱與房間內的熱交換發生在系統內，系統內部無法使系統總能量發生變化。但系統消耗電能增加了系統的總能量，根據能量守恒定律，系統增加的能量轉化為內能使房間的溫度升高。故選項B正確。
6．答案　BD
解析　這種機器從海水中吸熱全部轉變為功，這相當于第二類永動機，第二類永動機它不違反熱力學第一定律，但違反了熱力學第二定律，不能造成，故B、D正確．
7．答案　D
解析　機械能可以全部轉化為內能，故A錯；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錯；熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，但如果不是自發的，是可以進行的，故C錯；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為功的同時也引起了其他的變化，是可能的，故D對．
8．答案　C
解析　能量耗散過程中能量還是守恒的，能量耗散符合熱力學第二定律，C正確．
9．答案　B
解析　由題圖甲可知，使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體必伴隨壓縮機的做功，即引起其他變化；對于第二種方式，熱機工作時，從高溫物體吸收熱量，只有一部分用來對外做功，轉變為機械能，另一部分熱量要排放給低溫物體，故選項B正確，A、C、D錯誤。
10．答案　B
解析　第二類永動機不可能制造成功的原因是違背熱力學第二定律，但不違背能量守恒定律，選項A錯誤；熱力學第二定律可表述為所有自發的熱現象的宏觀過程都具有方向性，選項B正確；能量雖然守恒，但有些能量耗散以后就將不能再利用，故要節約能源，選項C錯誤；靜摩擦力做功，沒有機械能轉化為內能，選項D錯誤．

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