2016新课标创新人教物理选修3-2 第十章 第4节 热力学第二定律

一、热力学第二定律的克劳修斯表述┄┄┄┄┄┄┄┄①

1．热传导的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述

德国物理学家克劳修斯在1950年提出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。阐述的是传热的方向性。

[说明]

1．在可以引起其他影响的情况下，热可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等。 2．分析热力学第二定律的应用问题时都不能忽视“自发性”和“不引起其他变化”的物理意义。

①[判一判]

1．温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体(√) 2．一切与热现象有关的微观自然过程都是不可逆的(×) 3．在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体(√) 二、热力学第二定律的开尔文表述┄┄┄┄┄┄┄┄② 1．热力学第二定律的开尔文表述

不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响(即机械能与内能转化具有方向性)。

2．第二类永动机

只从单一热源吸收热量，使之全部用来做功，而不引起其他变化的热机。 [注意]

1．机械能可以完全转化为内能，内能也可以完全转化为机械能；但是，前者可以不产生其他影响，而后者一定会产生其他影响。

2．第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，因此也是不可能制成的。 ②[选一选]

下列说法正确的是( )

A．机械能全部变成内能是不可能的

B．第二类永动机不可能制造成功的原因是：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式

C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体 D．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的

解析：选D 由热力学第二定律可知，C错误；可以从单一热源吸收热量全部变成功，但必定会引起其他影响，D正确；机械能可通过克服摩擦全部转化为内能，A错误；第二类永动机没

版权所有:中国好课堂www.zghkt.cn

有违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，因而不能制成，B错误。

1.在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不可能”、“不产生其他影响”的涵义 (1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性。在传递过程中不会对其他物体产生影响或不需借助其他物体提供能量等。

(2)关于“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。

(3)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。

2．热力学第二定律的实质

热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

3．热力学第二定律的又一种表述

第二类永动机是不可能制成的。所谓第二类永动机是指从单一热源吸收热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器。由于内能不会自发地完全转化为机械能，而不产生其他影响，因此第二类永动机是不可能制成的。

4．热机

(1)热机：热机是把内能转化成机械能的一种装置。如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。

(2)热机的工作原理

工作物质从热库吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中。

根据能量守恒有Q1＝W＋Q2。 (3)热机的效率

热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η＝因为Q1＝W＋Q2，所以Q1>W，η<1。

这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中。 (4)特别提示

①热机必须有热源和冷凝器；

②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能；

③因热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1>W； ④热机的效率不可能达到100%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。

[典型例题]

例1.(2016·青岛高二检测)如图所示汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环

W

。 Q1

版权所有:中国好课堂www.zghkt.cn

境保持恒温，活塞与汽缸壁接触光滑，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右拉动，这样气体将等温膨胀并对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是( )

A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律 B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律

D．气体不是从单一热源吸热，且并未全部用来对外做功，所以此过程不违背热力学第二定律

[解析] 由于气体始终通过汽缸与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接缓慢向右移动过程中，有足够时间进行热交换，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程气体从单一热源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功才能保证内能不变，B、D错误；此过程引起了其他变化，如有外力控制着活塞缓慢地移动，而非自动进行的，有“第三方”参与，不违背热力学第二定律，A错误，C正确。

[答案] C [点评]

1．本题中汽缸内气体从外界吸收了热量，但气体的温度不变，内能也不变，故吸收的热量全部用来做功。

2．此过程只有在外力拉动活塞做功的情况下才可能发生，由此可见，如果没有外力对活塞做功，气体吸收的热量不可能全部用来做功，此过程并不违背热力学第二定律。

[即时巩固]

1．下列说法中正确的是( )

A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功 B．热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化 C．热机的效率不可能大于1，但可能等于1 D．热机的效率必定小于1

解析：选D 开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要发生其他变化，比如气体等温膨胀，气体内能完全转化为功，但气体体积增大了，A错误；开尔文表述指出，热机不可能只有单一热库，但未必就是两个热库，可以具有两个及以上热库，B错误；由η＝

Q1－Q2

可知，Q1

只要Q2≠0，则η≠1，如果Q2＝0，则低温热库不存在，违背开尔文表述，C错误。

1.热力学第一定律与热力学第二定律的比较

定律 项目 区别 热力学第一定律 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的体现，否定了创造能量和消灭能量的可能性 热力学第二定律 热力学第二定律是关于在自然界中一切和热现象有关的宏观过程都具有方向性的经验总结 联系 两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律。二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础 版权所有:中国好课堂www.zghkt.cn

2.两类永动机的比较

第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去)。

第二类永动机：将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)。

[典型例题]

例2.关于永动机和热力学定律的说法，下列叙述正确的是( ) A．第二类永动机违背能量守恒定律

B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加 C．外界对物体做功，则物体的内能一定增加

D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看，这两种改变方式是有区别的

[解析] 第二类永动机违背了热力学第二定律并不违背能量守恒定律，故A错误；据热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，内能的变化由做功W和热传递Q两个方面共同决定，只知道做功情况或只知道传热情况无法确定内能的变化情况，故B、C错误；做功和热传递都可改变物体内能，但做功是不同形式能的转化，而热传递是同种形式能间的转移，这两种方式是有区别的，故D正确。

[答案] D

[点评] 热力学第一定律和热力学第二定律的应用技巧

1．应用热力学第一定律，一定要考虑改变物体内能的两种方式，只有做功和热传递两方面都确定，才能确定物体内能的变化。

2．热力学第二定律的应用，关键是对热现象宏观过程的方向性的理解，要抓住“自发”和“不引起其他变化”等所表述的物理意义。

[即时巩固]

2．下列说法正确的是( )

A．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加

B．第二类永动机虽然不违背能量守恒定律，但它是制造不出来的 C．电能不可能全部转化为内能

D．热量不可能从低温物体传到高温物体

解析：选B 由ΔU＝W＋Q可知，A错误；第二类永动机违背了热力学第二定律，所以制造不出来，B正确；电流通过电阻做功，电能可以全部转化为内能，C错误；在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体，D错误。

1．[多选]关于热传导的方向性，下列说法正确的是( ) A．热量能自发地由高温物体传给低温物体 B．热量能自发地由低温物体传给高温物体

C．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体D.热量不可能从低温物体传给高温物体

版权所有:中国好课堂www.zghkt.cn