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第三章 熱力學定律
第4節 熱力學第二定律
學習目標
1.了解熱傳遞過程的方向性。
2.知道熱力學第二定律的兩種不同的表述，以及這兩種表述的物理實質。
3.知道什么是第二類永動機，知道為什么第二類永動機不可能制成。
4.了解什么是能量耗散。
重點難點
重點
熱力學第二定律的兩種常見表述。
難點
1.熱力學第二定律的開爾文表述。
2.自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。
自主探究
1.熱傳遞的方向性：一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是 。
2.熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。該闡述的是傳熱的 。
3.熱機：
(1)熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質
的 第二個階段是工作物質對外做功，把自己的內能變成 。
(2)熱機的效率η：熱機輸出的機械功與 的比值，用公式表示為方熱機的效率不可能達到100%。
4.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。該表述闡述的是機械能與內能轉化的 。
5.第二類永動機：
(1)定義：只從 熱庫吸收熱量，使之完全變成功而不引起其他變化的熱機。
(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 ，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為有用的功，就不可避免地要將一部分熱量傳給低溫熱庫。
6.能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉化為 ，流散到環境中而無法重新收集起來加以利用的現象。能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的自發變化過程具有 。
答案
1.不可逆的 2.方向性 3.(1)內能 機械能 (2)燃料產生的熱量 4.完全變成功 方向性
5.(1)單一 (2)能量守恒定律 6.內能 方向性
預習檢測
1.判斷下列說法的正誤。
(1)大量分子無規則的熱運動能夠自發轉變為有序運動。 （ ）
(2)熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態向無序程度大的運動狀態轉化的過程。 （ ）
(3)根據能量守恒定律，能源危機是不存在的。 （ ）
(4)能量耗散是指散失在環境中的內能福質降低，再也無法被人類利用。 （ ）
2.下列說法中正確的是 （ ）
A.在自然條件下，熱傳遞的過程是不可逆的
B.熱量不可能由高溫物體傳遞給低溫物體
C.氣體的擴散過程具有方向性
D.一切形式的能量轉化都不具有方向性
3.既然能量是守恒的，我們為什么還要節約能源
答案
1.(1)× (2)√ (3)× (4)√ 2.AC
3.能量是守恒的，但能量耗散卻導致能量可利用的品質降低了，高品質的能量最終轉化為低品質的能量，因而會產生能源危機，我們需要節約能源。
探究思考
【探究一】理解熱力學第二定律
在熱力學第二定律的表述中，“自發地”“不可能”“不產生其他影響”的內涵：
(1)“自發地”是指熱量從高溫物體“自發地”傳給低溫物體的方向性，且在傳遞過程中不會對其他物體產生影響或不需借助其他物體提供能量等。
(2)關于“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，所產生的其他一切影響，不論用任何曲折復雜的辦法都不可能加以消除。
(3)“不產生其他影響”是指發生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環境不產生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。
【探究二】能源耗散
能量轉化過程中產生的內能，流散到周圍環境中，分散在環境中的內能不管數量多么巨大，卻再也不能自動聚集起來驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫作能量耗散。能量耗散雖然不會導致能量總量的減少，卻會導致能量品質的降低，它實際上是將能量從高度有用的高品質形式降級為不大可用的低品質形式。
知識梳理
熱力學第二定律的兩種表述
1.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(按照熱傳遞的方向性來表述)。
2.不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。也可表述為第二類永動機是不可能制成的。(按照機械能與內能轉化的方向性來表述)熱力學第二定律揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性(自然界中涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性)，是獨立于熱力學第一定律的一個重要的自然規律。不管如何表述，熱力學第二定律的實質在于揭示了一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。
隨堂訓練
1.關于熱力學定律,下列說法中正確的是( )
A.在一定條件下物體的溫度可以降到絕對零度
B.第二類永動機和第一類永動機一樣,都違背了能量守恒定律
C.熱機的效率可以達到100%
D.在熱傳遞中,熱量不可能自發地從低溫物體傳給高溫物體
2.下列關于做功和傳熱的說法中正確的是( )
A.做功和傳熱在改變物體內能上是等效的 B.只要外界對物體做功，物體的內能就一定改變
C.傳熱的條件是物體間存在內能差 D.做功和傳熱改變物體內能的實質是一樣的
3.關于第二類永動機，下列說法中正確的是( )
A.它既不違反熱力學第一定律，也不違反熱力學第二定律
B.它既違反了熱力學第一定律，也違反了熱力學第二定律
C.它不違反熱力學第一定律，但違反熱力學第二定律
D.它只違反熱力學第一定律，不違反熱力學第二定律
4.如圖所示，用兩種不同的金屬絲組成一個回路，接觸點1插在一杯熱水中，接觸點2插在一杯冷水中，此時靈敏電流計的指針會發生偏轉，這就是溫差發電現象，根據這一現象，下列說法中正確的是( )
A.這一過程違反了熱力學第二定律 B.這一過程違反了熱力學第一定律
C.熱水和冷水的溫度將發生變化 D.這一過程違反了能量守恒定律
答案以及解析
1.答案：D
解析：A、絕對零度是一切低溫物體的極限,不可能達到,故A錯誤;B、第一類永動機違背了能量守恒定律,第二類永動機違背了熱力學第二定律,但并不違反能量守恒定律,故B錯誤;C、根據熱力學第二定律,不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功而不引起其他變化,即熱機的效率不能達到100%,故C錯誤;D、由熱力學第二定律可知,在熱傳遞中,熱量不可能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體,故D正確;故選:D。
2.答案：A
解析：做功和傳熱在改變物體內能上是等效的，但它們的本質不同，做功是其他形式的能和內能之間的轉化，而傳熱是不同物體（或一個物體的不同部分）之間內能的轉移，故A正確，D錯誤；外界對物體做了多少功，物體的能量就改變多少，但內能卻不一定改變，故B錯誤；傳熱的條件是存在溫度差，而不是存在內能差，故C錯誤。
3.答案：C
解析：第一類永動機違反了熱力學第一定律，即能量守恒定律，不可能實現；第二類永動機不違反能量守恒定律，但違反了熱力學第二定律，即能量的轉化具有方向性，故C正確.
4.答案：C
解析：熱力學第二定律由實際熱現象總結而來，任何宏觀的實際熱現象都符合熱力學第二定律，故A錯誤；吸、放熱和做功均會改變內能，該過程沒有違反熱力學第一定律，故B錯誤；在實驗過程中，熱水內能減少，一部分轉移到低溫物體，一部分轉化為電能，則熱水一定會降溫，冷水一定會升溫，故C正確；在實驗過程中，熱水的內能部分轉化成電能，部分傳遞給冷水，符合能量守恒定律，故D錯誤.
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