資源簡介

4．熱力學第二定律
[學習任務]　任務1．了解傳熱、擴散現象、機械能與內能的轉化等過程都具有方向性。知道具有方向性的過程是不可逆的。
任務2．了解熱力學第二定律的兩種表述，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制造成功的原因。
任務3．能用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移反方向性問題，并能解決一些實際問題。
任務4．了解能量與能源的區別以及能源的有限性。
[問題初探]　問題1．什么叫可逆過程？什么叫不可逆過程？
問題2．熱現象的方向性含義是什么？
問題3．既然能量守恒，為什么還要節約能源？
問題4．氣體向真空的自由膨脹可逆嗎？
[思維導圖]
　熱力學第二定律
[鏈接教材]　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？這說明擴散現象有什么特點？
提示：不能；擴散現象具有方向性，是不可逆的。
1．熱力學第二定律的克勞修斯表述
(1)傳熱的方向性：一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。
(2)克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。即傳熱的過程具有方向性。
2．熱力學第二定律的開爾文表述
(1)熱機
①熱機的工作分為兩個階段：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＜Q。
(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，而不產生其他影響。該表述闡述了機械能與內能轉化的方向性。
(3)熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的。
覆水難收；破鏡難圓；水從高山流到河谷，不可能自己再返回高山；一滴墨水滴入一杯清水，會均勻地擴散開來，不可能再自動地凝成一滴墨水……
問題1．這些現象說明了什么道理？
問題2．熱量能否從溫度低的物體傳遞給溫度高的物體？
提示：1．自然界的與熱現象有關的宏觀自然過程不可能自發地逆向進行。
2．能，但是需要第三方的介入。
1．對熱力學第二定律的理解
(1)克勞修斯表述中“自發”的含義：當兩個物體接觸時，不需要任何第三者的介入，不會對任何第三者產生任何影響，熱量就能從高溫物體傳到低溫物體。“自發”的方向是從高溫物體指向低溫物體。
(2)開爾文表述中“不可能從單一熱庫吸收熱量”的含義：不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。即熱機工作時須有高溫熱庫和低溫熱庫。
(3)開爾文表述中“不產生其他影響”的含義：是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。
2．熱力學第二定律的實質
熱力學第二定律的兩種表述是等價的，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
(1)高溫物體低溫物體
(2)功熱
(3)氣體體積V1氣體體積V2(較大)
(4)不同氣體A和B混合氣體A、B
【典例1】　(對熱力學第二定律的理解)(多選)下列現象中能夠發生的是(　　)
A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱
B．蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能
C．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
D．電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體
CD　[一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱，蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能，都違背了熱力學第二定律，故不能發生，A、B錯誤；泥、水分離是由于重力作用，能夠發生，C正確；由熱力學第二定律可知，電冰箱通電后把熱量由低溫物體傳到高溫物體是可以通過消耗電能的方式實現的，故能夠發生，D正確。]
【典例2】　(對熱力學第二定律的理解)如圖所示，兩種不同的金屬絲組成一個回路，接觸頭1置于熱水杯中，接觸頭2置于冷水杯中，此時回路中電流計指針發生偏轉，這是溫差電現象。假設此過程電流做功為W，接觸頭1從熱水中吸收的熱量為Q1，冷水從接觸頭2吸收的熱量為Q2，根據熱力學第二定律可得(　　)
A．Q1＝W 　 B．Q1＞W
C．Q1＜Q2 　 D．Q1＋Q2＝W
B　[根據熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸收熱量使之全部用來做功，而不產生其他影響，所以從熱水中吸收的熱量Q1應該大于電流做的功W，即Q1>W，A錯誤，B正確；根據能量守恒定律和熱力學第二定律，從熱水中吸收的熱量轉化成了兩部分，一部分是電能W，另一部分是冷水吸收的熱量Q2，即Q1＝Q2＋W，C、D錯誤。]
　應用熱力學第二定律解決問題時的兩個關鍵點
(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。在傳遞過程中不會對其他物體產生影響或不需要借助其他物體提供能量等。
(2)“不產生其他影響”的含義是使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體或從單一熱庫吸收熱量全部用來做功，必須通過第三者的幫助，這里的幫助是指做功或提供能量等方式，否則是不可能實現的。
【教用·備選例題】
地球上有很多的海水，它的總質量約為1.4×1018 t，如果這些海水的溫度降低0.1 ℃，將要放出5.8×1023 J的熱量，有人曾設想利用海水放出的熱量使它完全變成機械能來解決能源危機，但這種機器是不可能制成的，其原因是(　　)
A．內能不可以轉化成機械能
B．內能轉化成機械能不滿足熱力學第一定律
C．只從單一熱源吸收熱量并完全轉化成機械能的機器不滿足熱力學第二定律
D．上述三種原因都不正確
C　[內能可以轉化成機械能，如熱機，選項A錯誤；內能轉化成機械能的過程滿足熱力學第一定律，即能量守恒定律，選項B錯誤；熱力學第二定律告訴我們：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，選項C正確，D錯誤。]
　熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較
1．第一類永動機和第二類永動機的比較
第一類永動機 第二類永動機
特點 不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功 從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響
不可能制成的原因 違背能量守恒定律 不違背能量守恒定律，但違背熱力學第二定律
2．熱力學第一定律與熱力學第二定律的區別與聯系
熱力學第一定律 熱力學第二定律
區別 熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的表現，否定了憑空產生能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機 熱力學第二定律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，從而否定了第二類永動機
聯系 兩定律都是熱力學基本定律，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，二者相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎
【典例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
D　[第一類永動機違反能量守恒定律，第二類永動機違反熱力學第二定律，選項A、B錯誤；由熱力學第一定律可知，W≠0，Q≠0時ΔU＝W＋Q可以等于零，選項C錯誤；由熱力學第二定律可知D中現象是可能的，但必然引起其他變化，選項D正確。]
【典例4】　(多選)關于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列說法正確的是(　　)
A．一定質量的理想氣體經歷一緩慢的絕熱膨脹過程，氣體的內能減少
B．氣體向真空的自由膨脹是不可逆的
C．熱力學第一定律也可表述為第一類永動機不可能制成
D．熱力學第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”
ABC　[一定質量的理想氣體經歷一緩慢的絕熱膨脹過程，則Q＝0，W<0，根據ΔU＝W＋Q可知，氣體的內能減少，故A正確；熱力學第二定律表明，自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性，是不可逆的，故氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，故B正確；熱力學第一定律也可表述為第一類永動機不可能制成，故C正確；熱力學第二定律可描述為“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”，故D錯誤。]
　能源是有限的
1．能量的轉移和轉化具有方向性：在各種生產生活中，人們利用的各種形式的能最終都轉化成內能流散到周圍的環境中。
2．能量耗散
根據熱力學第二定律，分散在環境中的內能不管數量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，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”。
3．能源：指具有高品質的容易利用的儲能物質。
水磨是中國民間用水力帶動的石磨。水磨用石頭制成，分上下兩片，呈圓形。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磨盤和糧食等的內能。
問題1．分析通過什么方式使磨盤和糧食的內能增加了？
問題2．這些內能最終流散到周圍的環境中，但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？
提示：1．做功。
2．內能品質低。
【典例5】　抽水蓄能電站結構如圖所示，抽水蓄能電站有兩種工作模式，一種為抽水蓄能模式：居民用電低谷時(如深夜)，電站利用居民電網多余電能把水從下水庫抽到上水庫；另一種為放水發電模式：居民用電高峰時，將上水庫中的水放到下水庫進行發電，將產生的電能輸送到居民電網供居民使用。一抽一放起到了均衡電網負荷的作用。關于抽水蓄能電站，下列說法正確的是(　　)
A．抽水蓄能的過程中，能量守恒
B．放水發電的過程中，機械能守恒
C．抽水蓄能電站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能電站建成之后，就不會再有能源危機問題了
A　[抽水蓄能的過程中，總的能量是守恒的，故A正確；放水發電的過程中，有部分重力勢能轉化為電能，機械能不守恒，故B錯誤；抽水蓄能、放水發電過程，總的能量保持不變，并不能使能量增多，故C錯誤；抽水蓄能電站能夠合理調節用電高峰期和低谷期的調峰問題，但是能量總量并沒有增加，我們仍面臨著能源危機，還需節約能源，故D錯誤。]
1．下列現象屬于能量耗散的是(　　)
A．利用水能發電將水能轉化為電能
B．電池的化學能轉化為電能
C．電流通過電阻絲將電能轉化為光能
D．火爐把房子烤暖
D　[能量耗散是指其他形式的能轉變為內能，最終流散在周圍環境中無法重新收集并加以利用的過程。本題中的電能、光能都可以重新收集并加以利用。火爐把房子烤暖使燃料的化學能轉變成內能并流散在周圍的環境中，難以重新收集并加以利用，是能量耗散，故本題選D。]
2．關于熱力學第二定律，下列說法不正確的是(　　)
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．自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性
C．熱量不可能自發地從低溫物體傳遞到高溫物體
D．熱機的效率不可能達到100%
A　[第二類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第二定律，并沒有違背熱力學第一定律，故A錯誤；自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性，即不可逆，故B正確；根據熱力學第二定律知，熱量能夠自發地從高溫物體傳遞到低溫物體，但不能自發地從低溫物體傳遞到高溫物體，故C正確；熱力學第二定律可表述為不可能從單一熱源吸收熱量，使之全部變成功而不產生其他影響，所以熱機效率不可能達到100%，故D正確。]
3．將一件裙子放進死海，3年后成了一件精美的藝術品。其形成原因是海水中的鹽，不斷在衣服表面結晶所產生的。根據這一現象下列說法不正確的是(　　)
A．結晶過程看似是自發的，其實要受到環境的影響
B．結晶過程是無序向有序轉變的過程
C．鹽在溶解的過程中熵是增加的
D．這件藝術品被精心保存在充滿惰性氣體的密閉櫥窗里，可視為孤立系統，經過很長時間后，該藝術品的熵可能減小
D　[結晶過程不是自發的，通常是由于水溫降低或水的蒸發引起，受到環境的影響，是由無序向有序的轉變過程，故A、B正確；鹽在溶解是固態變為液態，是自發過程，自發過程是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，即熵增加，故C正確；孤立系統的熵永不減小，故D錯誤。本題選錯誤項，故選D。]
4．(2022·廣東卷)利用空調將熱量從溫度較低的室內傳遞到溫度較高的室外環境，這個過程________(選填“是”或“不是”)自發過程。該過程空調消耗了電能，空調排放到室外環境的熱量________(選填“大于”“等于”或“小于”)從室內吸收的熱量。
[解析]　利用空調將熱量從溫度較低的室內傳遞到溫度較高的室外環境，通過壓縮機做功，消耗了能量，因此這個過程不是自發過程；根據熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸熱，使之完全轉化為有用的功，而不產生其他影響，因此空調把熱量從溫度較低的室內傳遞到溫度較高的室外，還需有外力做功，即空調排放到室外環境的熱量大于從室內吸收的熱量。
[答案]　不是　大于
回歸本節知識，完成以下問題：
1．“由熱力學第二定律可知，一切與熱現象有關的宏觀過程都是不可逆的。”這種說法正確嗎，為什么？
提示：錯誤。應該是一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。如果有外加因素，如冰箱，就可以把熱量由低溫物體傳到高溫物體。
2．第二類永動機與第一類永動機的區別是什么？它為什么不能實現？
提示：第二類永動機是從單一熱源吸收的熱量可以全部用來做功，而不引起其他變化的機器，即效率η＝100%的機器。第一類永動機是指不消耗任何能量就能永遠運動下去的機器，它違反了能量守恒定律。
第二類永動機不能實現的原因：違背了熱力學第二定律，但沒有違背能量守恒定律。
3．由能量守恒可知，能量在轉化和轉移的過程中，總能量是不變的，那么為什么我們還要節約能源呢？
提示：能量耗散雖然不會導致能量的總量減少，卻會導致能量品質的降低，所以要節約能源。
課時分層作業(十二)
?題組一　熱力學第二定律
1．(多選)關于自然過程的方向性，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．實際的宏觀自發過程都具有“單向性”或“不可逆性”
D．氣體的自由膨脹是不可逆過程
CD　[機械能和內能的轉化過程具有方向性，所以摩擦生熱的過程是不可逆的，故A錯誤；實際的宏觀自發過程都符合能量守恒定律，具有“單向性”或“不可逆性”，故B錯誤，C正確；氣體自由膨脹的過程具有方向性，是不可逆過程，故D正確。]
2．(多選)根據熱力學第二定律，下列說法正確的是(　　)
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，能從單一熱庫吸收熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機是可以制成的
C．制冷系統可將冰箱里的熱量傳到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到高溫物體，而不引起其他變化
AD　[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，內能卻不能全部轉化為機械能而不引起其他變化，選項A正確，B錯誤；熱傳導過程也具有方向性，熱量能自發地從高溫物體傳到低溫物體，但要從低溫物體傳到高溫物體，必然會引起其他變化(外界對系統做功)，選項C錯誤，D正確。]
3．如圖所示，絕熱的汽缸被一個絕熱的活塞分成左、右兩部分，活塞質量不計，活塞用銷釘鎖住，活塞與汽缸之間沒有摩擦，汽缸左邊裝有一定質量的理想氣體，右邊為真空，現在拔去銷釘，讓氣體向右邊的真空做絕熱自由膨脹，下列說法正確的是(　　)
A．氣體在向真空膨脹的過程中對外做功，氣體內能減少
B．氣體在向真空膨脹的過程中，分子平均動能變小
C．氣體在向真空膨脹的過程中，系統的熵不可能增加
D．若無外界的干預，氣體分子不可能自發地退回到左邊，使右邊重新成為真空
D　[由于活塞質量不計，右邊為真空，氣體向真空膨脹時不做功，A錯誤；氣體膨脹時，不做功，不交換熱量，內能不變，故溫度不變，分子平均動能不變，B錯誤；氣體在向真空膨脹的過程中，無序性在增加，系統的熵在增加，C錯誤；若無外界的干預，氣體分子不可能自發地退回到左邊，使右邊重新成為真空，D正確。]
?題組二　熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較
4．(多選)關于熱力學的兩個定律，下列說法正確的是(　　)
A．一切物理過程都不可能自發地進行
B．物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功
C．利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機，將海水的一部分內能轉化為機械能是可能的
D．做功可以改變物體的內能，熱傳遞也可以改變物體的內能，同時做功和熱傳遞一定會改變物體的內能
BC　[根據熱力學第二定律，一部分物理過程可以自發進行，故A錯誤；根據熱力學第二定律可知，物體不可能從單一熱源吸熱，并全部用來對外做功而不引起其他變化，若引起外界變化則可以，故B正確；根據熱力學第二定律可知，利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機，將海水的一部分內能轉化為機械能，這在理論上是可行的，故C正確；做功可以改變物體的內能，熱傳遞也可以改變物體的內能，但同時做功和熱傳遞不一定會改變物體的內能，比如物體吸收熱量的同時對外做功，內能不一定改變，故D錯誤。]
5．關于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列論述正確的是(　　)
A．熱力學第一定律指出內能可以與其他形式的能相互轉化，而熱力學第二定律則指出內能不可能完全轉化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的
B．內能可以全部轉化為其他形式的能，只是會產生其他影響，故兩條定律并不矛盾
C．兩條定律都是有關能量的轉化規律，它們不但不矛盾，而且沒有本質區別
D．能量守恒定律包含了熱力學第一定律和熱力學第二定律
B　[熱力學第一定律揭示了內能與其他形式能量之間的轉化關系，是能量守恒定律在熱力學中的具體體現；熱力學第二定律則進一步闡明了內能與其他形式能量轉化時的方向性，二者表述的角度不同，本質不同，相互補充，并不矛盾，B正確，A、C、D錯誤。]
?題組三　能源是有限的
6．(多選)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、重新加以利用的現象。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．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性
CD　[能量耗散過程能量仍守恒，但可利用的能源越來越少，這說明自然界中的宏觀過程具有方向性，符合熱力學第二定律，C、D正確。]
7．關于能源和能量，下列說法正確的是(　　)
A．隨著科技的發展，第二類永動機是可以制成的
B．能量被使用后就消失了，所以要節約資源
C．能量的耗散反映出自然界宏觀過程的方向性
D．自然界的石油、煤炭等資源可供人類永久使用
C　[第二類永動機違背了熱力學第二定律，所以即使科技發展，第二類永動機也是不可以制成的，A錯誤；能量是守恒的，能量使用后可能散失到自然界而無法收集，所以要節約能源，B錯誤；根據熱力學第二定律可知，自然宏觀過程自發進行是有方向性的，能量耗散就是從能量的角度反映了這種方向性，C正確；自然界中石油、煤炭等能源是不可再生能源，都是有限的，不可能供人類永久使用，D錯誤。]
8．熱力學第二定律常見的表述方式有兩種，其一是：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體；其二是：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。第一種表述方式可以用右圖來表示，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，你認為下列示意圖中正確的是(　　)
A　　　　B　　　　C　　　　D
B　[由題圖可知，使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體必伴隨著制冷機的做功，即不是自發的過程，對于第二種表述，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，另一部分熱量要傳遞給低溫物體，故選項B正確，A、C、D錯誤。]
9．(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．電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能
C．電冰箱的工作原理不違反熱力學第一定律
D．電冰箱的工作原理違反熱力學第一定律
BC　[熱力學第一定律是熱現象中內能與其他形式能的轉化規律，是能量守恒的具體表現，適用于所有的熱學過程，故C正確，D錯誤；根據熱力學第二定律可知，熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，必須借助于外界做功，故A錯誤，B正確。]
10．(2024·浙江1月選考)如圖所示，一個固定在水平面上的絕熱容器被隔板A分成體積均為V1＝750 cm3的左右兩部分。面積為S＝100 cm2的絕熱活塞B被鎖定，隔板A的左側為真空，右側中一定質量的理想氣體處于溫度T1＝300 K、壓強p1＝2.04×105 Pa的狀態1。抽取隔板A，右側中的氣體就會擴散到左側中，最終達到狀態2。然后解鎖活塞B，同時施加水平恒力F，仍使其保持靜止，當電阻絲C加熱時，活塞B能緩慢滑動(無摩擦)，使氣體達到溫度T2＝350 K的狀態3，氣體內能增加ΔU＝63.8 J。已知大氣壓強p0＝1.01×105 Pa，隔板厚度不計。
(1)氣體從狀態1到狀態2是________(選填“可逆”或“不可逆”)過程，分子平均動能________(選填“增大”“減小”或“不變”)。
(2)求水平恒力F的大小。
(3)求電阻絲C放出的熱量Q。
[解析]　(1)根據熱力學第二定律可知，氣體從狀態1到狀態2是不可逆過程，由于隔板A的左側為真空，可知氣體從狀態1到狀態2，氣體不做功，又沒有發生熱傳遞，所以氣體的內能不變，氣體的溫度不變，分子平均動能不變。
(2)氣體從狀態1到狀態2發生等溫變化，則有　p1V1＝p2·2V1
解得狀態2氣體的壓強為p2＝＝1.02×105 Pa
解鎖活塞B，同時施加水平恒力F，仍使其保持靜止，以活塞B為對象，根據受力平衡可得
p2S＝p0S＋F
解得F＝(p2－p0)S＝(1.02×105－1.01×105)×100×10-4 N＝10 N。
(3)當電阻絲C加熱時，活塞B能緩慢滑動(無摩擦)，使氣體達到溫度T2＝350 K的狀態3，可知氣體做等壓變化，則有＝
可得狀態3氣體的體積為
V3＝·2V1＝×2×750 cm3＝1 750 cm3
該過程氣體對外做功為W＝p2ΔV＝p2(V3－2V1)＝1.02×105×(1 750－2×750)×10-6 J＝25.5 J
根據熱力學第一定律可得ΔU＝－W＋Q′
解得氣體吸收的熱量為
Q′＝ΔU＋W＝63.8 J＋25.5 J＝89.3 J
可知電阻絲C放出的熱量為Q＝Q′＝89.3 J。
[答案]　(1)不可逆　不變　(2)10 N　(3)89.3 J
章末綜合測評(三)
一、選擇題(本題共10小題，每小題4分。在每小題給出的四個選項中，第1～7題只有一項符合題目要求，第8～10題有多項符合題目要求。全部選對的得4分，選對但不全的得2分，有選錯的得0分)
1．根據熱學中的有關知識，判斷下列說法錯誤的是 (　　)
A．機械能可以全部轉化為內能，內能也可以用來做功轉化成機械能
B．自發的熱傳遞過程是向著分子熱運動無序性增大的方向進行的
C．第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，所以隨著科技的進步和發展，第二類永動機可以被制造出來
D．空調既能制熱又能制冷，說明在不自發的條件下，熱量可以逆向傳遞
C　[機械能可以全部轉化為內能，內能也可以用來做功轉化成機械能，故A正確；根據熱力學第二定律可知，與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，自發的熱傳遞過程是向著分子熱運動無序性增大的方向進行的，故B正確；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，所以第二類永動機不可能被制造出來，故C錯誤；根據熱力學第二定律可知，熱量不能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體，但在一定外界條件下可以實現，例如空調制冷時，壓縮機工作，消耗電能，把熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，故D正確。]
2．關于熱力學定律，下列說法正確的是(　　)
A．理想氣體吸熱后溫度一定升高
B．熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體
C．若系統A和系統B之間達到熱平衡，則它們的溫度一定相同
D．電冰箱的制冷系統能夠不斷地把熱量從冰箱內傳到外界，違背了熱力學第二定律
C　[由熱力學第一定律得，如果理想氣體吸熱的同時對外做功，且做功的數值大于吸收的熱量，則氣體內能減少，溫度降低，故A錯誤；熱量不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體，但電冰箱、空調等電器可以通過做功，把熱量從低溫物體傳到高溫物體，故B錯誤；若系統A和系統B之間達到熱平衡，則它們的溫度一定相同，故C正確；電冰箱的制冷系統能夠不斷地把熱量從冰箱內傳到外界，這個過程是由壓縮機做功實現的，沒有違背熱力學第二定律，故D錯誤。]
3．用海浪發電的航標燈的氣室(器壁是導熱的)結構如圖所示。利用海浪上下起伏的力量，空氣從A吸進來，在B中壓縮后再推入工作室C，推動渦輪機帶動發電機發電。當海水下降時，閥門K1關閉，K2打開。當海水上升時，K2關閉，海水推動活塞等溫壓縮空氣(可視為理想氣體)，空氣壓強達到6×105 Pa時，閥門K1才打開。K1打開后，活塞繼續推動B中的空氣，直到氣體全部被推入工作室C為止，同時工作室C的空氣推動渦輪機工作，根據上述信息判斷下列說法正確(　　)
A．該裝置由于從單一熱源吸收熱量，所以違反了熱力學第二定律
B．在活塞向上推動，K1未打開之前，B中的空氣向周圍放出熱量
C．在活塞向上推動，K1未打開之前，B中每個空氣分子對器壁的撞擊力增大
D．氣體被壓縮，體積減小，分子間的平均距離減小，氣體壓強增大，分子力表現斥力
B　[該裝置是利用海水推動活塞做功，是海水的機械能轉化為電能，不違反熱力學定律，故A錯誤；海水推動活塞等溫壓縮空氣，內能不變，而外界對氣體做功，根據熱力學第一定律知B中的空氣向周圍放出熱量，故B正確；在活塞向上推動，K1未打開之前，由于溫度不變，則B中氣體分子的平均動能不變，對單個分子來講其動能變化不一定，每個空氣分子對器壁的撞擊力不一定變大，故C錯誤；氣體被壓縮，體積減小，分子間的平均距離減小，氣體壓強增大，因是理想氣體，不考慮分子間的作用力，故D錯誤。故選B。]
4．海底火山活躍的海域，火山附近的海水會受到加熱形成水蒸氣從而產生氣泡。當氣泡浮上水面的過程中溫度下降，壓強減小，體積減小。該過程中水蒸氣可視作理想氣體。下列關于該過程說法正確的是(　　)
A．水蒸氣上升過程中吸收熱量
B．水蒸氣分子的平均動能增大
C．水蒸氣放出的熱量大于其減小的內能
D．該過程違反了熱力學第二定律
C　[根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q 可知，氣體溫度下降，故內能減小，即ΔU＜0，體積減小可以判斷外界對氣體做功，故W>0，因此Q必須為負，放出熱量，故A錯誤；水蒸氣的溫度下降，故分子平均動能減小，故B錯誤；根據熱力學第一定律，因外界對氣體做功，故水蒸氣放出的熱量大于其減小的內能，故C正確；該過程不單是從熱源吸熱并用于做功，同時也引起了海水重力勢能變化，故沒有違反熱力學第二定律，故D錯誤。故選C。]
5．氣墊鞋深受籃球愛好者們喜歡。某款氣墊鞋底部裝有一種由小分子鑄膜材料制作的氣墊，氣墊內封閉著一定量的氣體。一同學穿著該款鞋子打籃球時，他跳躍起一定高度搶到籃板球后雙腳穩穩落地。研究他雙腳著地的短暫過程，不計氣墊內氣體分子間的相互作用，則(　　)
A．氣墊內的氣體對外做功，氣體密度減小
B．外界對氣體做的功等于氣體向外傳遞的熱量
C．氣墊內的氣體的溫度升高，氣墊內所有氣體分子熱運動的速率均增大
D．外界對氣墊內的氣體做功，氣體內能增大
D　[腳著地的短暫過程，外界對氣墊內的氣體做功，氣體質量不變，體積減小，所以氣體密度增大，故A錯誤；著地的過程短暫，氣體與外界發生熱交換的時間很短，外界對氣體做功，所以氣體的溫度升高，內能增大，由熱力學第一定律可知，外界對氣體做的功大于氣體向外傳遞的熱量，故D正確，B錯誤；氣墊內氣體的溫度升高，氣體分子的平均動能增大，但不是所有分子的動能都增大，即不是所有分子的速率都增大，故C錯誤。]
6．圖中汽缸內盛有一定質量的理想氣體，汽缸壁是導熱的，缸外環境保持恒溫，活塞與汽缸壁間摩擦不計，但不漏氣。現將活塞桿緩慢向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并對外做功，若已知一定質量的理想氣體的內能只與溫度有關，則下列說法正確的是(　　)
A．氣體從單一熱庫吸熱，全部用來對外做功，此過程違反熱力學第二定律
B．氣體從單一熱庫吸熱，但并未全部用來對外做功，此過程不違反熱力學第二定律
C．氣體從單一熱庫吸熱，全部用來對外做功，此過程不違反熱力學第二定律
D．以上三種說法都不對
C　[由于汽缸導熱，外界溫度不變，活塞桿緩慢地向右移動的過程中，缸內、外氣體有足夠時間進行熱交換，所以汽缸內的氣體溫度不變，其內能不變，該過程氣體是從單一熱庫即外部環境吸收熱量，全部用來對外做功且內能不變，但此過程不違反熱力學第二定律，此過程由外力對活塞做功維持，如果沒有外力對活塞做功，此過程不可能發生。]
7．“二氧化碳跨臨界直冷制冰”是北京2022年冬奧會的“中國方案”，國家速滑館的冰面全由它制成，冰面溫差可控制在±0.5 ℃以內。其制冰過程可簡化為圖中的循環過程，其中橫軸為溫度T，縱軸為壓強p。
過程A→B：一定量的二氧化碳在壓縮機的作用下變為高溫高壓的超臨界態(一種介于液態和氣態之間，分子間有強烈相互作用的特殊狀態)；
過程B→C：二氧化碳在冷凝器中經歷一恒壓過程向外放熱而變成高壓液體；
過程C→D：二氧化碳進入蒸發器中蒸發，進而使與蒸發器接觸的水降溫而凝固；
過程D→A：二氧化碳經歷一恒壓過程回到初始狀態。下列說法正確的是(　　)
A．過程A→B中，每個二氧化碳分子的動能都將增大
B．過程B→C中，二氧化碳始終遵循理想氣體的實驗定律
C．過程D→A中，若二氧化碳可看作理想氣體，則該過程中二氧化碳將吸熱
D．整個循環過程中，熱量從低溫水向高溫二氧化碳傳遞，違反熱力學第二定律
C　[溫度是分子的平均動能的標志，A→B過程中氣體的溫度升高，分子的平均動能增大，但不是每一個分子的動能都增大，故A錯誤；B→C過程中二氧化碳從超臨界態變成液態，沒有始終遵循氣體實驗定律，故B錯誤；D→A過程中，二氧化碳等壓升溫，且可看作理想氣體，根據理想氣體的狀態方程＝C(常量)可知氣體的體積增大，則氣體對外做功，氣體的溫度升高則氣體的內能增大，結合熱力學第一定律可知該過程中二氧化碳將吸熱，故C正確；整個循環過程需要外力做功才能實現，所以熱量從低溫水向高溫二氧化碳傳遞，并不違反熱力學第二定律，故D錯誤。]
8．如圖所示，固定在水平地面上的汽缸內密封一定質量的理想氣體，活塞處于靜止狀態。若活塞與汽缸間的摩擦忽略不計，且氣體與外界環境沒有熱交換。將活塞從A處緩慢地推至B處的過程中，下列說法正確的是(　　)
A．氣體的溫度逐漸升高
B．氣體分子的平均動能逐漸增大
C．氣體的分子數密度保持不變
D．氣體的內能可能保持不變
AB　[將活塞從A處緩慢地推至B處的過程中，氣體的體積減小，分子數密度增大，外界對氣體做功，即W>0，由于氣體與外界環境沒有熱交換，即Q＝0，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU>0，即氣體的內能逐漸增大，氣體溫度逐漸升高，氣體分子的平均動能逐漸增大，故A、B正確，C、D錯誤。]
9．(2023·新課標卷)如圖，一封閉著理想氣體的絕熱汽缸置于水平地面上，用輕彈簧連接的兩絕熱活塞將汽缸分為f、g、h三部分，活塞與汽缸壁間沒有摩擦。初始時彈簧處于原長，三部分中氣體的溫度、體積、壓強均相等。現通過電阻絲對f中的氣體緩慢加熱，停止加熱并達到穩定后(　　)
A．h中的氣體內能增加
B．f與g中的氣體溫度相等
C．f與h中的氣體溫度相等
D．f與h中的氣體壓強相等
AD　[三部分中氣體的溫度、體積、壓強均相等，所以三部分氣體質量相等。對f中的氣體緩慢加熱，則f中氣體溫度升高(熱脹)，體積增加，此時f擠壓g、h，而分隔g、h中氣體的活塞均絕熱，故g、h中氣體體積均減小，壓強增大，彈簧彈力增加。當f右側活塞向右移動時，外界對g、h氣體均做正功，W>0，絕熱Q＝0，根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，g、h中的氣體內能增加，溫度升高，A正確；當系統穩定時，滿足pfS＝pgS＋kx＝phS，則pf＝ph＞pg，則此時f與h中的氣體壓強相等，D正確；由理想氣體狀態方程可知＝＝，由于pf＞pg，Vf＞Vg，故Tf＞Tg，B錯誤；由于f中氣體體積變大、h中氣體體積變小，故Vh10．如圖所示，一定質量的理想氣體，從狀態A經絕熱過程A→B、等容過程B→C、等溫過程C→A又回到了狀態A，則(　　)
A．A→B過程氣體降溫
B．B→C過程氣體內能增加，可能外界對氣體做了功
C．C→A過程氣體放熱
D．整個過程氣體做功為零
AC　[A→B過程氣體絕熱膨脹，氣體對外界做功，其對應的內能必定減小，即氣體溫度降低，A正確；B→C過程氣體等容升壓，由查理定律可知，氣體溫度升高，其對應的內能增加，因氣體體積不變，故外界對氣體做功W＝0，B錯誤；C→A過程氣體等溫壓縮，故內能變化為零，但外界對氣體做功，因此該過程中氣體放熱，C正確；A→B過程氣體對外做功，其數值等于AB線與橫軸所圍的面積，B→C過程氣體不做功，C→A過程外界對氣體做功，其數值等于CA線與橫軸所圍的面積，顯然全過程外界對氣體做的功為ABC封閉曲線所圍的面積，D錯誤。]
二、非選擇題(共5小題，共60分)
11．(8分)一定質量的理想氣體，從初始狀態A經狀態B、C、D再回到A，體積V與溫度T的關系如圖所示，圖中TA、VA和TD為已知量。
(1)從狀態A到B，氣體經歷的是________過程(選填“等溫”“等容”或“等壓”)。
(2)從B到C的過程中，氣體的內能________(選填“增大”“減小”或“不變”)。
(3)從C到D的過程中，氣體對外界________(選填“做正功”“做負功”或“不做功”)，同時________(選填“吸熱”或“放熱”)。
(4)氣體在狀態D時的體積VD＝________。
[解析]　(1)由題圖可知，從狀態A到B，氣體體積不變，故是等容變化。
(2)從B到C氣體溫度不變，即分子平均動能不變，該理想氣體的內能不變。
(3)從C到D氣體體積減小，外界對氣體做正功，W>0，所以氣體對外界做負功，同時溫度降低，說明內能減小，由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q知氣體放熱。
(4)從D到A是等壓變化，由蓋-呂薩克定律得＝，VD＝VA。
[答案]　(1)等容　(2)不變　(3)做負功　放熱　(4)VA
12．(6分)如圖所示，導熱的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定質量的理想氣體封閉在汽缸中(狀態①)，汽缸的內壁光滑。現用水平外力F作用于活塞桿，使活塞緩慢地向右移動一段距離(狀態②)，在此過程中：
(1)如果環境保持恒溫，下列說法正確的是________。
A．每個氣體分子的速率都不變
B．氣體分子平均動能不變
C．水平外力F逐漸變大
D．氣體內能減少
E．氣體放熱
F．氣體內能不變，卻對外做功，此過程違反熱力學第一定律，不可能實現
G．氣體雖是從單一熱庫吸熱，全部用來對外做功，但此過程不違反熱力學第二定律
(2)如果環境保持恒溫，分別用p、V、T表示該理想氣體的壓強、體積、溫度。氣體從狀態①變化到狀態②，此過程可用下列選項表示的是______。
A　　　　B　　　　C　　　　D
[解析]　(1)溫度不變，分子平均動能不變，分子平均速率不變，但不是每個分子的速率都不變，B正確，A錯誤；由玻意耳定律知氣體體積增大，壓強減小，活塞內、外壓強差增大，水平拉力F增大，C正確；由氣體溫度不變、體積增大知，氣體內能不變，對外做功，由熱力學第一定律知，氣體一定從外界吸收熱量，D、E、F均錯誤；題中氣體雖從單一熱庫吸熱，全部用來對外做功，但有外力作用于桿并引起氣體的體積增大，不違反熱力學第二定律，G正確。
(2)由題意知，從①到②，氣體溫度不變，體積增大，壓強減小，所以只有A、D正確。
[答案]　(1)BCG　(2)AD
13．(12分)如圖所示的p-V圖像中，一定質量的理想氣體由狀態A經過程Ⅰ變至狀態B時，從外界吸收熱量420 J，同時膨脹對外做功300 J，當氣體從狀態B經過程Ⅱ回到狀態A時，外界壓縮氣體做功200 J，求過程Ⅱ中氣體吸收或放出的熱量是多少。
[解析]　由題意知，一定質量的理想氣體由狀態A經過程Ⅰ變至狀態B時，ΔUAB＝W1＋Q1＝120 J
內能增加120 J，當氣體從狀態B經過程Ⅱ回到狀態A時，ΔUBA＝W2＋Q2＝－120 J
又W2＝200 J
則Q2＝－320 J，故放出熱量320 J。
[答案]　放出熱量　320 J
14．(16分)一定質量的理想氣體從狀態A變化到狀態B，再變化到狀態C，其狀態變化過程的p-V圖像如圖所示。已知該氣體在狀態B時的熱力學溫度TB＝300 K，求：
(1)該氣體在狀態A時的熱力學溫度TA和在狀態C時的熱力學溫度TC；
(2)該氣體從狀態A到狀態C的過程中，氣體內能的變化量ΔU以及該過程中氣體從外界吸收的熱量Q。
[解析]　(1)氣體從狀態A到狀態B過程做等容變化，有＝，解得TA＝900 K
氣體從狀態B到狀態C過程做等壓變化，有＝，解得TC＝900 K。
(2)因為狀態A和狀態C溫度相等，且理想氣體的內能是所有分子的動能之和，溫度是分子平均動能的標志，所以在該過程中ΔU＝0
氣體從狀態A到狀態B的過程體積不變，氣體從狀態B到狀態C的過程對外界做功，故氣體從狀態A到狀態C的過程中，外界對氣體所做的功為
W＝－pΔV＝－1×105×(3×10-3－1×10-3) J＝－200 J
由熱力學第一定律有ΔU＝Q＋W
解得Q＝200 J。
[答案]　(1)900 K　900 K　(2)0　200 J
15．(16分)(2023·浙江1月選考)某探究小組設計了一個報警裝置，其原理如圖所示。在豎直放置的圓柱形容器內用面積S＝100 cm2、質量m＝1 kg的活塞密封一定質量的理想氣體，活塞能無摩擦滑動。開始時氣體處于溫度TA＝300 K、活塞與容器底的距離h0＝30 cm的狀態A。環境溫度升高時容器內氣體被加熱，活塞緩慢上升d＝3 cm恰好到達容器內的卡口處，此時氣體達到狀態B。活塞保持不動，氣體被繼續加熱至溫度TC＝363 K的狀態C時觸動報警器。從狀態A到狀態C的過程中氣體內能增加了ΔU＝158 J。取大氣壓p0＝0.99×105 Pa，g＝10 m/s2，求氣體：
(1)在狀態B的溫度；
(2)在狀態C的壓強；
(3)由狀態A到狀態C過程中從外界吸收熱量Q。
[解析]　(1)氣體由狀態A變化到狀態B過程中壓強不變，則有
＝，解得TB＝TA＝330 K。
(2)活塞緩慢上升時有pBS＝p0S＋mg，解得氣體壓強pB＝1×105 Pa
氣體由狀態B變化到狀態C的過程中體積不變，則有＝，解得pC＝pB＝1.1×105 Pa。
(3)氣體從狀態A到狀態C的過程中對外做功為W0＝pBSd＝30 J，由ΔU＝W＋Q得氣體吸收的熱量Q＝ΔU＋W0＝188 J。
[答案]　(1)330 K　(2)1.1×105 Pa　(3)188 J(共39張PPT)
4．熱力學第二定律
第三章　熱力學定律
整體感知·自我新知初探
[學習任務]　任務1．了解傳熱、擴散現象、機械能與內能的轉化等過程都具有方向性。知道具有方向性的過程是不可逆的。
任務2．了解熱力學第二定律的兩種表述，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不能制造成功的原因。
任務3．能用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移反方向性問題，并能解決一些實際問題。
任務4．了解能量與能源的區別以及能源的有限性。
[問題初探]　問題1．什么叫可逆過程？什么叫不可逆過程？
問題2．熱現象的方向性含義是什么？
問題3．既然能量守恒，為什么還要節約能源？
問題4．氣體向真空的自由膨脹可逆嗎？
[思維導圖]
探究重構·關鍵能力達成
[鏈接教材]　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？這說明擴散現象有什么特點？
知識點一　熱力學第二定律
提示：不能；擴散現象具有方向性，是不可逆的。
1．熱力學第二定律的克勞修斯表述
(1)傳熱的方向性：一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是________。
(2)克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。即傳熱的過程具有______。
不可逆的
方向性
2．熱力學第二定律的開爾文表述
(1)熱機
①熱機的工作分為兩個階段：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熱機用于做功的熱量一定____它從高溫熱庫吸收的熱量，即W＜Q。
(2)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______。
(3)熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是____的。
內能
機械能
小于
完全變成功
方向性
等價
覆水難收；破鏡難圓；水從高山流到河谷，不可能自己再返回高山；一滴墨水滴入一杯清水，會均勻地擴散開來，不可能再自動地凝成一滴墨水……
問題1．這些現象說明了什么道理？
問題2．熱量能否從溫度低的物體傳遞給溫度高的物體？
提示：1．自然界的與熱現象有關的宏觀自然過程不可能自發地逆向進行。
2．能，但是需要第三方的介入。
1．對熱力學第二定律的理解
(1)克勞修斯表述中“自發”的含義：當兩個物體接觸時，不需要任何第三者的介入，不會對任何第三者產生任何影響，熱量就能從高溫物體傳到低溫物體。“自發”的方向是從高溫物體指向低溫物體。
(2)開爾文表述中“不可能從單一熱庫吸收熱量”的含義：不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。即熱機工作時須有高溫熱庫和低溫熱庫。
(3)開爾文表述中“不產生其他影響”的含義：是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。
2．熱力學第二定律的實質
熱力學第二定律的兩種表述是等價的，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
【典例1】　(對熱力學第二定律的理解)(多選)下列現象中能夠發生的是(　　)
A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱
B．蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能
C．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
D．電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體
√
√
CD　[一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱，蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能，都違背了熱力學第二定律，故不能發生，A、B錯誤；泥、水分離是由于重力作用，能夠發生，C正確；由熱力學第二定律可知，電冰箱通電后把熱量由低溫物體傳到高溫物體是可以通過消耗電能的方式實現的，故能夠發生，D正確。]
【典例2】　(對熱力學第二定律的理解)如圖所示，兩種不同的金屬絲組成一個回路，接觸頭1置于熱水杯中，接觸頭2置于冷水杯中，此時回路中電流計指針發生偏轉，這是溫差電現象。假設此過程電流做功為W，接觸頭1從熱水中吸收的熱量為Q1，冷水從接觸頭2吸收的熱量為Q2，根據熱力學第二定律可得(　　)
A．Q1＝W 　
B．Q1＞W
C．Q1＜Q2 　
D．Q1＋Q2＝W
√
B　[根據熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸收熱量使之全部用來做功，而不產生其他影響，所以從熱水中吸收的熱量Q1應該大于電流做的功W，即Q1>W，A錯誤，B正確；根據能量守恒定律和熱力學第二定律，從熱水中吸收的熱量轉化成了兩部分，一部分是電能W，另一部分是冷水吸收的熱量Q2，即Q1＝Q2＋W，C、D錯誤。]
規律方法　應用熱力學第二定律解決問題時的兩個關鍵點
(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。在傳遞過程中不會對其他物體產生影響或不需要借助其他物體提供能量等。
(2)“不產生其他影響”的含義是使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體或從單一熱庫吸收熱量全部用來做功，必須通過第三者的幫助，這里的幫助是指做功或提供能量等方式，否則是不可能實現的。
【教用·備選例題】
地球上有很多的海水，它的總質量約為1.4×1018 t，如果這些海水的溫度降低0.1 ℃，將要放出5.8×1023 J的熱量，有人曾設想利用海水放出的熱量使它完全變成機械能來解決能源危機，但這種機器是不可能制成的，其原因是(　　)
A．內能不可以轉化成機械能
B．內能轉化成機械能不滿足熱力學第一定律
C．只從單一熱源吸收熱量并完全轉化成機械能的機器不滿足熱力學第二定律
D．上述三種原因都不正確
√
C　[內能可以轉化成機械能，如熱機，選項A錯誤；內能轉化成機械能的過程滿足熱力學第一定律，即能量守恒定律，選項B錯誤；熱力學第二定律告訴我們：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，選項C正確，D錯誤。]
1．第一類永動機和第二類永動機的比較
知識點二　熱力學第一定律和熱力學第二定律的比較
第一類永動機 第二類永動機
特點 不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功 從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響
不可能制成的原因 違背能量守恒定律 不違背能量守恒定律，但違背熱力學第二定律
2．熱力學第一定律與熱力學第二定律的區別與聯系
熱力學第一定律 熱力學第二定律
區別 熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的表現，否定了憑空產生能量和消滅能量的可能性，從而否定了第一類永動機 熱力學第二定律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，從而否定了第二類永動機
聯系 兩定律都是熱力學基本定律，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，二者相互獨立，又相互補充，都是熱力學的理論基礎
【典例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
√
D　[第一類永動機違反能量守恒定律，第二類永動機違反熱力學第二定律，選項A、B錯誤；由熱力學第一定律可知，W≠0，Q≠0時ΔU＝W＋Q可以等于零，選項C錯誤；由熱力學第二定律可知D中現象是可能的，但必然引起其他變化，選項D正確。]
【典例4】　(多選)關于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列說法正確的是(　　)
A．一定質量的理想氣體經歷一緩慢的絕熱膨脹過程，氣體的內能減少
B．氣體向真空的自由膨脹是不可逆的
C．熱力學第一定律也可表述為第一類永動機不可能制成
D．熱力學第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”
√
√
√
ABC　[一定質量的理想氣體經歷一緩慢的絕熱膨脹過程，則Q＝0，W<0，根據ΔU＝W＋Q可知，氣體的內能減少，故A正確；熱力學第二定律表明，自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性，是不可逆的，故氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，故B正確；熱力學第一定律也可表述為第一類永動機不可能制成，故C正確；熱力學第二定律可描述為“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”，故D錯誤。]
1．能量的轉移和轉化具有方向性：在各種生產生活中，人們利用的各種形式的能最終都轉化成____流散到周圍的環境中。
2．能量耗散
根據熱力學第二定律，分散在環境中的內能不管數量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能____________驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫作“能量耗散”。
3．能源：指具有______的容易利用的儲能物質。
知識點三　能源是有限的
內能
自動聚集起來
高品質
水磨是中國民間用水力帶動的石磨。水磨用石頭制成，分上下兩片，呈圓形。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磨盤和糧食等的內能。
問題1．分析通過什么方式使磨盤和糧食的內能增加了？
問題2．這些內能最終流散到周圍的環境中，但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？
提示：1．做功。
2．內能品質低。
【典例5】　抽水蓄能電站結構如圖所示，抽水蓄能電站有兩種工作模式，一種為抽水蓄能模式：居民用電低谷時(如深夜)，電站利用居民電網多余電能把水從下水庫抽到上水庫；另一種為放水發電模式：居民用電高峰時，將上水庫中的水放到下水庫進行發電，將產生的電能輸送到居民電網供居民使用。一抽一放起到了均衡電網負荷的作用。關于抽水蓄能電站，下列說法正確的是(　　)
A．抽水蓄能的過程中，能量守恒
B．放水發電的過程中，機械能守恒
C．抽水蓄能電站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能電站建成之后，就不會再有能源危機問題了
√
A　[抽水蓄能的過程中，總的能量是守恒的，故A正確；放水發電的過程中，有部分重力勢能轉化為電能，機械能不守恒，故B錯誤；抽水蓄能、放水發電過程，總的能量保持不變，并不能使能量增多，故C錯誤；抽水蓄能電站能夠合理調節用電高峰期和低谷期的調峰問題，但是能量總量并沒有增加，我們仍面臨著能源危機，還需節約能源，故D錯誤。]
應用遷移·隨堂評估自測
1．下列現象屬于能量耗散的是(　　)
A．利用水能發電將水能轉化為電能
B．電池的化學能轉化為電能
C．電流通過電阻絲將電能轉化為光能
D．火爐把房子烤暖
√
2
4
3
題號
1
D　[能量耗散是指其他形式的能轉變為內能，最終流散在周圍環境中無法重新收集并加以利用的過程。本題中的電能、光能都可以重新收集并加以利用。火爐把房子烤暖使燃料的化學能轉變成內能并流散在周圍的環境中，難以重新收集并加以利用，是能量耗散，故本題選D。]
2
4
3
題號
1
2．關于熱力學第二定律，下列說法不正確的是(　　)
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．自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性
C．熱量不可能自發地從低溫物體傳遞到高溫物體
D．熱機的效率不可能達到100%
2
3
題號
1
4
√
A　[第二類永動機不可能制成是因為違背了熱力學第二定律，并沒有違背熱力學第一定律，故A錯誤；自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性，即不可逆，故B正確；根據熱力學第二定律知，熱量能夠自發地從高溫物體傳遞到低溫物體，但不能自發地從低溫物體傳遞到高溫物體，故C正確；熱力學第二定律可表述為不可能從單一熱源吸收熱量，使之全部變成功而不產生其他影響，所以熱機效率不可能達到100%，故D正確。]
2
3
題號
1
4
3．將一件裙子放進死海，3年后成了一件精美的藝術品。其形成原因是海水中的鹽，不斷在衣服表面結晶所產生的。根據這一現象下列說法不正確的是(　　)
A．結晶過程看似是自發的，其實要受到環境的影響
B．結晶過程是無序向有序轉變的過程
C．鹽在溶解的過程中熵是增加的
D．這件藝術品被精心保存在充滿惰性氣體的密閉櫥窗里，可視為孤立系統，經過很長時間后，該藝術品的熵可能減小
2
3
題號
4
1
√
D　[結晶過程不是自發的，通常是由于水溫降低或水的蒸發引起，受到環境的影響，是由無序向有序的轉變過程，故A、B正確；鹽在溶解是固態變為液態，是自發過程，自發過程是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，即熵增加，故C正確；孤立系統的熵永不減小，故D錯誤。本題選錯誤項，故選D。]
2
3
題號
4
1
4．(2022·廣東卷)利用空調將熱量從溫度較低的室內傳遞到溫度較高的室外環境，這個過程________(選填“是”或“不是”)自發過程。該過程空調消耗了電能，空調排放到室外環境的熱量________(選填“大于”“等于”或“小于”)從室內吸收的熱量。
2
4
3
題號
1
[解析]　利用空調將熱量從溫度較低的室內傳遞到溫度較高的室外環境，通過壓縮機做功，消耗了能量，因此這個過程不是自發過程；根據熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸熱，使之完全轉化為有用的功，而不產生其他影響，因此空調把熱量從溫度較低的室內傳遞到溫度較高的室外，還需有外力做功，即空調排放到室外環境的熱量大于從室內吸收的熱量。
不是
大于
回歸本節知識，完成以下問題：
1．“由熱力學第二定律可知，一切與熱現象有關的宏觀過程都是不可逆的。”這種說法正確嗎，為什么？
提示：錯誤。應該是一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。如果有外加因素，如冰箱，就可以把熱量由低溫物體傳到高溫物體。
2．第二類永動機與第一類永動機的區別是什么？它為什么不能實現？
提示：第二類永動機是從單一熱源吸收的熱量可以全部用來做功，而不引起其他變化的機器，即效率η＝100%的機器。第一類永動機是指不消耗任何能量就能永遠運動下去的機器，它違反了能量守恒定律。
第二類永動機不能實現的原因：違背了熱力學第二定律，但沒有違背能量守恒定律。
3．由能量守恒可知，能量在轉化和轉移的過程中，總能量是不變的，那么為什么我們還要節約能源呢？
提示：能量耗散雖然不會導致能量的總量減少，卻會導致能量品質的降低，所以要節約能源。

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