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4　熱力學第二定律
[學習目標]　
1.了解熱力學第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質(重點)。
2.能運用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移以及宏觀自然過程的方向性問題(難點)。
3.理解能量耗散，知道能源是有限的。
一、熱力學第二定律
一滴黑色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變黑。從系統的角度來看， 擴散之前是一種狀態，擴散后是另一種狀態。那么，水中擴散后的顏料能否自發地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？這說明了什么？
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1．熱現象的方向性：一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是________的，即與熱現象有關的宏觀自然過程有________性。
2．熱力學第二定律的克勞修斯表述：
熱量不能________地從____溫物體傳到____溫物體。闡述的是傳熱的________性。
3．熱力學第二定律的開爾文表述：
(1)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__________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_______(選填“等價”或“不等價”)的。
5．熱力學第二定律的實質：揭示了宏觀自然過程的________。
如圖所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖，通過此圖思考以下問題：
(1)制冷機工作時熱量是自發地從低溫熱庫傳到高溫熱庫嗎？
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(2)熱機工作時能否將從高溫熱庫吸收的熱量全部用于做功？
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(1)一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。(　　)
(2)機械能可以完全轉化為內能，而內能不可能完全轉化為機械能。(　　)
(3)熱量不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體。(　　)
例1　根據熱力學第二定律，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．如果沒有摩擦、漏氣等，熱機效率可以達到100%
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，使低溫物體的溫度更低，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
1．一切物理過程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理過程不一定均能實現。
2．熱力學第二定律的兩種表述分別對應著一種“不可能”，但都有一個前提條件“自發地”或“不產生其他影響”，如果去掉這種前提條件，就都是有可能的。例如電冰箱的作用就是使熱量從低溫物體傳到高溫物體，等溫膨脹就是從單一熱庫吸收熱量，使之完全用來做功，但不是自發地或是產生了其他影響。
二、熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較
1．兩定律的比較
熱力學第一定律 熱力學第二定律
區別 是能量守恒定律在熱力學中的表現，否定了創造能量和消滅能量的可能性 是關于在有限空間和時間內，一切和熱現象有關的物理過程、化學過程具有不可逆性的經驗總結
聯系 兩定律分別從不同角度揭示了與熱現象有關的物理過程所遵循的規律，二者既相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎
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(或只給予很少的能量啟動后，可以永遠運動下去) 將內能全部轉化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱庫，實現內能向機械能的轉化)
不可能制成的原因 違背了能量守恒定律 違背了熱力學第二定律
例3　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，傳熱也不一定改變內能，但同時做功和傳熱一定會改變內能
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4　(2020·全國卷Ⅱ)下列關于能量轉換過程的敘述，違背熱力學第一定律的有______，不違背熱力學第一定律、但違背熱力學第二定律的有________。(填正確答案標號)
A．汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱
B．冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低
C．某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，而不產生其他影響
D．冰箱的制冷機工作時從箱內低溫環境中提取熱量散發到溫度較高的室內
三、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守恒，但能量的品質下降了，________減少了。
1．流動的水帶動水磨做功，由于磨盤和糧食之間的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機械能轉變成了內能，這些內能最終流散到周圍的環境中，我們沒有辦法把這些流散的內能重新收集起來加以利用。可見，內能與機械能相比，哪種能量的品質低？
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2．如圖所示是兩幅宣傳節約能源的圖片。請問：既然能量是守恒的，我們為什么還要節約能源？
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例5　下列說法正確的是(　　)
A．人類在不斷地開發和利用新能源，所以能量可以被創造
B．在能源的利用過程中，由于能量在數量上并未減少，所以不需要節約能源
C．自然界中只要涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性
D．能量耗散現象說明：在能量轉化的過程中，雖然能量的總量并不減少，但能量品質提升了
能量與能源的區別
1．能量是守恒的，既不會增加也不會減少。
2．能源是能夠提供可利用能量的物質。
3．能量耗散，能量總量不變，但能量品質會下降，即能源減少，故我們要節約能源。
4　熱力學第二定律
[學習目標]　1.了解熱力學第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質(重點)。2.能運用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移以及宏觀自然過程的方向性問題(難點)。3.理解能量耗散，知道能源是有限的。
一、熱力學第二定律
一滴黑色顏料滴進一杯清水中擴散，整杯水將均勻地變黑。從系統的角度來看， 擴散之前是一種狀態，擴散后是另一種狀態。那么，水中擴散后的顏料能否自發地重新聚集在一起，而其余部分又變成清水？這說明了什么？
答案　不能，說明擴散有方向性。
1．熱現象的方向性：一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，即與熱現象有關的宏觀自然過程有方向性。
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。闡述的是傳熱的方向性。
3．熱力學第二定律的開爾文表述：
(1)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內能；第二個階段是工作物質對外做功，把自己的內能變成機械能。
②熱機用于做功的熱量一定小于它從高溫熱庫吸收的熱量，即W(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，使之完全變成功，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等價(選填“等價”或“不等價”)的。
5．熱力學第二定律的實質：揭示了宏觀自然過程的方向性。
如圖所示是制冷機和熱機的工作過程示意圖，通過此圖思考以下問題：
(1)制冷機工作時熱量是自發地從低溫熱庫傳到高溫熱庫嗎？
(2)熱機工作時能否將從高溫熱庫吸收的熱量全部用于做功？
答案　(1)不是，熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫時需要有外界做功。
(2)不能，熱機工作時只能將從高溫熱庫吸收熱量的一部分用來做功，剩余的部分釋放到低溫熱庫。
(1)一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。(　√　)
(2)機械能可以完全轉化為內能，而內能不可能完全轉化為機械能。(　×　)
(3)熱量不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體。(　√　)
例1　根據熱力學第二定律，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．如果沒有摩擦、漏氣等，熱機效率可以達到100%
答案　A
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；傳熱過程也具有方向性，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；熱機效率無法達到100%，D選項錯誤。
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，使低溫物體的溫度更低，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
答案　C
解析　根據熱力學第二定律，熱量自發地全部轉化為機械能是不可能的，A錯誤；氣體膨脹具有方向性，不能自發逸出又自發跑進去，使其恢復原狀，B錯誤；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，而不引起其他的變化，但通過一些手段是可以實現的，C正確；擴散現象有方向性，因此混合后不能自發地各自分開，D錯誤。
1．一切物理過程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理過程不一定均能實現。
2．熱力學第二定律的兩種表述分別對應著一種“不可能”，但都有一個前提條件“自發地”或“不產生其他影響”，如果去掉這種前提條件，就都是有可能的。例如電冰箱的作用就是使熱量從低溫物體傳到高溫物體，等溫膨脹就是從單一熱庫吸收熱量，使之完全用來做功，但不是自發地或是產生了其他影響。
二、熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較
1．兩定律的比較
熱力學第一定律 熱力學第二定律
區別 是能量守恒定律在熱力學中的表現，否定了創造能量和消滅能量的可能性 是關于在有限空間和時間內，一切和熱現象有關的物理過程、化學過程具有不可逆性的經驗總結
聯系 兩定律分別從不同角度揭示了與熱現象有關的物理過程所遵循的規律，二者既相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎
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(或只給予很少的能量啟動后，可以永遠運動下去) 將內能全部轉化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱庫，實現內能向機械能的轉化)
不可能制成的原因 違背了能量守恒定律 違背了熱力學第二定律
例3　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，傳熱也不一定改變內能，但同時做功和傳熱一定會改變內能
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
答案　D
解析　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，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。
例4　(2020·全國卷Ⅱ)下列關于能量轉換過程的敘述，違背熱力學第一定律的有________，不違背熱力學第一定律、但違背熱力學第二定律的有________。(填正確答案標號)
A．汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱
B．冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低
C．某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，而不產生其他影響
D．冰箱的制冷機工作時從箱內低溫環境中提取熱量散發到溫度較高的室內
答案　B　C
解析　A項符合熱力學第一、第二定律。冷水和杯子溫度不可能都變低，只能是一個升高一個降低，或溫度都不變，B項描述違背了熱力學第一定律。C項描述雖然不違背熱力學第一定律，但違背了熱力學第二定律。D項中冰箱消耗電能從而可以從低溫環境中提取熱量散發到溫度較高的室內，不違背熱力學第二定律。
三、能源是有限的
1．能源：具有高品質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守恒，但能量的品質下降了，能源減少了。
1．流動的水帶動水磨做功，由于磨盤和糧食之間的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機械能轉變成了內能，這些內能最終流散到周圍的環境中，我們沒有辦法把這些流散的內能重新收集起來加以利用。可見，內能與機械能相比，哪種能量的品質低？
答案　內能。
2．如圖所示是兩幅宣傳節約能源的圖片。請問：既然能量是守恒的，我們為什么還要節約能源？
答案　能量是守恒的，但能量耗散卻導致能量品質的降低，在利用它們的時候，高品質的能量釋放出來并最終轉化為低品質的能量。
例5　下列說法正確的是(　　)
A．人類在不斷地開發和利用新能源，所以能量可以被創造
B．在能源的利用過程中，由于能量在數量上并未減少，所以不需要節約能源
C．自然界中只要涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性
D．能量耗散現象說明：在能量轉化的過程中，雖然能量的總量并不減少，但能量品質提升了
答案　C
解析　根據能量守恒定律，能量是不能被創造的，選項A錯誤；在能源的利用過程中，雖然能量在數量上并未減少，但是能源的品質在降低，所以還需要節約能源，選項B錯誤；根據熱力學第二定律可知，自然界中只要涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性，選項C正確；能量耗散現象說明：在能量轉化的過程中，雖然能量的總量并不減少，但能量品質降低了，選項D錯誤。
能量與能源的區別
1．能量是守恒的，既不會增加也不會減少。
2．能源是能夠提供可利用能量的物質。
3．能量耗散，能量總量不變，但能量品質會下降，即能源減少，故我們要節約能源。

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